论文部分内容阅读
TiO2光催化剂具有无二次污染、氧化能力强和化学性质稳定等优点,在多相催化技术中得到了广泛应用。然而,TiO2在实际的应用中仍面临一些挑战。一方面,光激发产生的光生电子-空穴对的复合几率高,导致TiO2的光催化效率低。另一方面,粉体TiO2以粉末状悬浮于液体中,加大了其固液分离的难度,导致其回收利用率低。以上两方面均限制了基于纳米TiO2的多相光催化技术在工业领域中的广泛应用。基于此,为了降低TiO2基光催化剂体系光生载流子复合率,提高其光催化效率,以及提高粉体TiO2的回收利用率,本研究制备了核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂Fe3O4@SiO2@Sn-TiO2。通过调控Ti/Sn摩尔比、煅烧温度和煅烧时间三个制备工艺参数,系统地研究了Sn掺杂对TiO2在Fe3O4@SiO2颗粒表面的包覆过程的影响,探究了核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂的最适宜热处理条件。此外,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)、X-射线多晶衍射仪(XRD)、X-射线光电子能谱分析仪(XPS)、热重分析仪(TGA)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和物理吸附/脱附仪(BET)对核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂的微观形貌和化学组分进行了系统的表征分析。最后,以盐酸四环素为目标底物研究了核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂的光催化活性和回收利用性。所得到的研究结果如下:(1)以钛酸四丁酯(C16H36O4Ti,TBOT)、正硅酸四乙酯(C8H20O4Si,TEOS)、二水氯化亚锡(Sn Cl2·2H2O)等为原料通过St?ber法和Sol-gel法制备了核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂;该催化剂由Sn-TiO2外壳层、均匀球形Fe3O4核和SiO2惰性中间层组成。(2)探究了Sn掺杂对TiO2在Fe3O4@SiO2颗粒表面的包覆过程的影响机理。结果表明,相比于未掺杂Sn的TiO2磁性复合光催化剂球形核壳结构Fe3O4@SiO2@TiO2,Sn-TiO2磁性复合光催化剂的核壳结构为粒径较大的Fe3O4@SiO2@Sn-TiO2团簇。在Fe3O4@SiO2颗粒表面包覆TiO2层的过程中,部分Sn2+吸附于Sn2+-TiO2低聚体表面,改变了低聚体表面的带电量,降低了低聚体的稳定性;导致Fe3O4@SiO2@Sn-TiO2颗粒之间通过其Sn2+-TiO2外壳与溶液中低稳定性的Sn2+-TiO2纳米颗粒发生缩聚反应而团聚到一起,进而导致Sn-TiO2磁性复合光催化剂中TiO2含量比未掺杂Sn的TiO2磁性复合光催化剂中TiO2含量高。(3)研究了Sn掺杂量对TiO2外壳的晶体结构和相转化行为的影响。结果表明,Sn掺杂量较低时(Ti/Sn摩尔比为100:1和60:1,煅烧条件为500℃煅烧2 h),锐钛矿TiO2的结晶度随着Sn掺杂量的增大而提高;继续提高Sn掺杂量可促进锐钛矿TiO2转化为金红石TiO2,同时,转化率也随Sn掺杂量的提高而增大。(4)探究了核壳型Sn-TiO2磁性复合光催化剂的最适宜热处理条件。研究结果表明,煅烧温度对最大饱和磁化强度和比表面积以及TiO2外壳的晶体结构均有影响。随着煅烧温度的提高,锐钛矿TiO2逐渐转化为金红石TiO2,并且,锐钛矿和金红石TiO2的结晶度均随着煅烧温度的提高而提高。随着煅烧温度的提高,Fe3O4相的含量逐渐减小导致最大饱和磁化强度逐渐减小,同时,Sn-TiO2磁性复合光催化剂的比表面积减小。探究了煅烧时间对Sn-TiO2磁性复合光催化剂的磁性Fe3O4内核和最大饱和磁化强度的影响。研究结果表明,随着煅烧时间的延长,Fe3O4的含量减小,导致最大饱和磁化强度减小。基于500℃煅烧2 h样品的优异的光催化性能和磁响应性能,选择500℃煅烧2 h作为最适宜煅烧条件。(5)以盐酸四环素为目标污染物评价了Sn-TiO2磁性复合光催化剂的光催化活性和磁响应性能。Ti/Sn摩尔比为60:1的Sn-TiO2磁性复合光催化剂对盐酸四环素的一级光催化反应速率常数最大,达到0.103 min-1,是未掺杂Sn的TiO2磁性复合光催化剂的光催化反应速率常数的4.75倍;这归因于Sn-TiO2磁性复合光催化剂中较高的TiO2含量和Sn4+-TiO2层较低的光生载流子复合率。另外,Sn-TiO2复合光催化剂在经过六个光催化实验周期后表现出优异的循环利用性;这归因于其较好的磁响应性能。