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Sol_Gel法制备纳米Fe_TiO_2光催化剂及其光催化性能

第39 卷2010 年增刊2

8 月

稀有金属材料与工程

RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING

Vol.39, Suppl.2

August 2010 Sol-Gel法制备纳米Fe-TiO2光催化剂

及其光催化性能

曾翎，尹炳龙，干均江，姜华昌，杨瑞芹

(浙江科技学院，浙江杭州310023)

摘要：以钛酸四正丁酯和无水乙醇为主要原料，掺杂一定比例的Fe3+，采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel）制备TiO2-Fe2O3

复合催化剂，并用XRD 和SEM 等手段进行表征。以4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚（PAR）光催化降解为模型反应，在可见

光条件下对所制备的催化剂催化性能进行表征和评价。结果表明：掺铁TiO2比不掺杂TiO2有更高的催化活性，同时也

验证掺铁量在0.5%时，光催化活性最高。焙烧温度在400 ℃时，催化活性大。

关键词：溶胶-凝胶；二氧化钛；氧化铁；锐钛矿；降解

中图法分类号：TQ032 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2010)S2-350-03

目前TiO2在光催化消除和降解污染物成为其中到均匀透明的淡黄色溶胶。

最为活跃的一个研究方向[1-7] 。由于纳米级TiO2光催以上述方法，改变混合液硝酸铁的比例进行制

化剂具有光催化效率高、无毒性和化学稳定性等特性，可应用于空气和水的净化和杀菌[8-10]。但是，TiO2也有其自身的局限性，禁带宽度大,需在近紫外光下才能激发产生电子-空穴对，且易于复合，对太阳光的利用率较低(4%)。光催化剂的活性是由其光吸收能力、电备。硝酸铁的比例分别为：钛酸丁酯:无水乙醇:去离

子水:硝酸铁＝1:2:4:0.01（摩尔比）；钛酸丁酯:无水乙醇:去离子水:硝酸铁＝1:2:4:0.00（摩尔比）。

将上述溶胶物质干燥后，分别以400、500、600 ℃温度在马弗炉焙烧 3 h。不同条件制备催化剂的表示

荷分离及载流子向底物转移的效率共同决定的。因为：掺铁的催化剂TiO2–0.5%Fe2O3，在400、500、600

此，提高光催化剂的光吸收能力，促进其表面电荷分离，提高光生电子或空穴向底物转移的效率，以及提高其对底物的吸附能力均可使催化剂的性能得到改善。掺杂金属离子是被认为提高TiO2催化活性的一种℃条件下焙烧的催化剂分别记作A、B、C；掺铁的催

化剂TiO2–1%Fe2O3，在400、500、600 ℃条件下焙烧的催化剂分别记作E、F、G；不掺铁的TiO2，在400、500、600 ℃条件下焙烧的催化剂分别记作H、I、J。

有效而且可行性较高的手段。本研究采用溶胶-凝胶法 1.2 测试与表征

制备掺入铁纳米TiO2-Fe2O3，并将其在可见光下对

4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚（PAR）溶液的催化降解，并与同一条件下无掺杂的TiO2进行比较，考察掺铁后催化剂在可见光下对催化活性的影响。

用D/max-RA 型X-射线衍射仪。采用Cu 靶X 射线管，λ=1.5406 nm，管压40.0 kV，管流80.0 mA，扫描范围2θ=10o~80o，扫描速度4°/min，步进0.02°。测试催化剂样品的物相结构。JEM200CX 型（加速电压

1 实验从100 kV 开始，逐档上升）透射电子显微镜观测催化

剂样品的形貌和粒径。用自行设计加工的光催化反应1.1 复合纳米光催化剂的制备器评价催化剂的催化性能。光反应器为一个50 mL 的

采用溶胶-凝胶方法制备TiO2光催化剂，用10 mL 钛酸丁酯为前驱体，20 mL 无水乙醇为溶剂，加

入催化剂HCl，控制其pH 为 3 左右。再将混合液[钛酸丁酯:无水乙醇:去离子水:硝酸铁＝1:2:4:0.005（摩

尔比）]加入上述溶液中。磁力搅拌30 min，最后得烧杯，其中心悬有400 W 金属卤化物灯（HQI-BT

400W/D，用滤光片滤去波长小于380 nm 部分波段，

主要发射可见光,滤去紫外光），烧杯放在一个通循环

冷却水的装置中。以PAR 溶液（2 mg·dm-3）为降解液，催化剂用量依次为0.5、0.75、0.1 g/L，电磁搅拌，使

收稿日期：2010-03-10

基金项目：浙江省自然科学基金项目(Y405139)资助

作者简介：曾翎，女，1957 年生，教授，浙江科技学院生化学院，浙江杭州310023，电话：0571-********，E-mail: zeng-ling711@https://www.wendangku.net/doc/cc8837768.html,

I n t e n s i t y /a .u .

增刊 2

曾

翎等：Sol-Gel 法制备纳米 Fe-TiO 2 光催化剂及其光催化性能

·351·

催化剂均匀分散于反应液中。每个组分催化降解 30

2.2

纳米复合催化剂的形貌

min ，取其反应液，分两次离心分离共 2 h ，取上清液后用 UV/Vis Lambda 20.2 nm （PERKIN ELMER ）测定 PAR 在 460 nm 处的吸收，用 PAR 的降解率来表征催化剂的光催化活性。用下式计算降解率：

图 2 分别是催化剂样品 A 、C 、E 、G 的透射电镜

照片。由图中看出，各催化剂呈球形，其粒径为 15~30 nm ，由图 1 的 XRD 数据运用 Scherrer 公式计算样品的平均粒径为 26.2 nm ，与此处结果相同。低温 400 ℃ 降解率 = A 0

A t

A 0

?100%

（1）

焙烧后，掺铁催化剂，粒径均匀，分散性好。经 600 ℃ 焙烧后，其粒径进一步增大，其分散性差，粒子发生式中，A 0：为初始 PAR 的浓度；A t ：为经过 t 时间后

PAR 的浓度。

团聚，其粒径与采用的干燥方法和金属掺杂的物质有关。由照片看出催化剂呈团聚现象，这主要是因为纳 2

2.1

结果与讨论

纳米复合催化剂的物相分析（XRD ）

米催化剂的比表面积大，表面能高，不稳定。从热力学的角度来讲，粒子越细，表面能越大，粒子越容易聚结成团，导致分散性变差。所以催化剂在放置一段图 1 是纳米光催化剂在不同温度煅烧下的 XRD

图谱。可见，在温度较低（400 ℃）焙烧时的组分 A 、 E ，只含有单一相的锐钛矿型 TiO 2，其衍射峰分别为 25.2o，37.8o，48.1o，53.8o，62.7o，对应的晶面间距依次为 3.51，2.37，1.90，1.70，1.48 在掺杂 TiO 2 的 XRD 图谱上均未出现 Fe 3+的衍射峰，表明掺杂离子已进人

TiO 2 的晶格，说明 400 ℃煅烧的 TiO 2 为单一锐钛矿型，可证明较低温度热处理后 TiO 2 并未发生锐钛矿型向

金红石型转化，与文献[12]报道的结果完全相同。观察组分 I 为 500 ℃下煅烧的组分，呈现部分较微弱的

金红石衍射峰，其中最强一个出现在 27.5o，晶面间距

为 3.2432，600 ℃下煅烧 3 h 的 J 组分出现了较强的金红石衍射峰，27.5o时晶面间距分别为 3.253 和 3.2478，比 500 ℃稍微大，这是因为随着热处理温度升高，纳米 TiO 2 的晶粒度也在不断增大，在 500 ℃之前，晶粒度增大较为缓慢，但当热处理温度升高到 500 ℃以后，样品中出现了金红石相 TiO 2，金红石相 TiO 2 的晶粒度

比锐钛矿相大得多，并且随着温度的升高，金红石相 TiO 2 的含量显著增加，因而也就导致了纳米 TiO 2 的晶粒度增长迅速。

A C

E G I J

时间后之间相互吸引，粒子发生团聚。两图相比，可看出 G 催化剂的粒子比 C 催化剂分散性好，说明 Fe 离子的掺杂发生了表面吸附作用，降低了纳米 TiO 2 催

化剂的比表面能，所以团聚现象减少。

20 30 40 50 60 70

50 nm

2θ/(o)

图 1

TiO 2 and TiO 2/Fe 2O 3 样品在不同温度煅烧下的 XRD 谱图

图 2

催化剂样品的 TEM 照片

Fig.1

XRD patterns of TiO 2 and TiO 2 /Fe 2O 3 sample calcined at

different temperature

Fig.2

TEM images of catalyst samples: (a) samples A, (b) samples C, (c) samples E, and (d) samples G

D e g r a d a t i o n R a t e /%

图 3 是掺杂不同量的 Fe 在 400 ℃煅烧的样品的离，使 TiO 2 表面产生了更多的·OH 和 O ，从而提高

·352·

稀有金属材料与工程

第 39 卷

2.3

掺铁量对催化剂活性的影响

采用溶胶-凝胶法制备纳米 TiO 2 光催化剂，粒径 3+

催化活性。由图可以看出，掺杂 0.5%，1%Fe 制备的 TiO 2/Fe 2O 3 复合光催化剂(A, E)，其催化活性比纯的 TiO 2(H)的催化活性有着明显的提高。这是由于掺杂铁后，在光照射下激发的电子由 Fe 2O 3 的导带向 TiO 2 的

为 15~30 nm ，400 ℃焙烧下的晶型为锐钛矿型，600 ℃ 后出现部分锐钛矿向金红石型转变。掺铁量在 0.5% 时，光催化活性最高。焙烧温度在 400 ℃时，催化活性大，说明锐钛矿型 TiO 2 是光催化的活性相。

导带转移，而空穴由 TiO 2 的价带向 Fe 2O 3 的价带转移，参考文献

References 结果使载流子的复合率低，达到电子和空穴的有效分

2－

[1] Fan Xiaojiang(范小江), Tang Jianjun(唐建军), Zou Yuan(邹原). Applied Chemistry (应用化学)[J], 2008, 37(10): 1221 了催化剂的催化活性，使 PAR 去除率提高较快。但是， [2] Yang Hui(杨辉), Shen Qianhong(申乾宏), Gao Jiwei(高基

Fe 2O 3 的加入量的多少对催化剂的活性有一些影响。不掺铁的催化剂捕获电子或空穴的能力不够，光生电子- 空穴不能有效的分离，故催化剂的活性较低；当 Fe 2O 3=1%时，催化剂表面的 TiO 2 活性中心减少，减少了对光的吸收，使催化活性有所降低。当 Fe 2O 3=0.5% 时，催化活性最高。因此，要获得高活性 TiO 2 纳米光催化剂，严格控制铁的掺杂量也是有必要的。

伟). Journal of Catalysis (催化学报)[J], 2005, 26(10): 839 [3] Yang Huabin(杨华滨), Duan Yueqin(段月琴), Bie Lijian(别利

剑). Journal of Tianjin University of Technology (天津工业大学学报)[J], 2008, 24(6): 22

[4] Ee WL, Gao Y M, Dwight K et al . Mnt Res Ball [J], 1999,

11(4): 685

[5] Shen Q H, Yang H, Gao J W et al . Mater Lett [J], 2007,

100 90 80 70 60 50

0.5%Fe 1%Fe

0%Fe

61(19-20): 4160

[6] Masakazu Anpo. Pure Appl Chem [J], 2000, 72(7): 1265 [7] Hoigne J, Bader H. Water Res [J], 2002, 10(2): 377

[8] Shen Qianhong(申乾宏), Cai Zhenqian(蔡振钱), Gao Jiwei(高

基伟) et al . Journal of Catalysis (催化学报) [J], 2007, 28(2):

153

40 30

[9] Guo Xingzhong(郭兴中), Yang Hui(杨辉), Wang Jianwu(王

建武). Rare Metal Materials and Engineering (稀有金属材料 t /min

与工程)[J], 2004, 33(Sl): 52

图 3 掺杂不同量铁光催化剂的催化活性 [10] Gao Jiwei(高基伟), Ding Xingeng (丁新更), Yang Hui(杨

Fig.3

Catalytic activity of catalysts with different Fe contents(400 ℃)

辉). Rare Metal Materials and Engineering (稀有金属材料与工程)[J],2004, 33(Sl): 52

[11] Feng Liangrong(冯良荣 ), Lü Shaojie(吕少洁 ). Journal of

3 结

论

Fudan University(Natural Science)(复旦大学学报自然科学版)[J], 2003, 42(3): 413

Preparation of Nanometer TiO 2-Fe Catalyst by Sol-Gel Method and

Its Photocatalytic Performance

Zeng Ling, Yin Binglong, Gan Junjiang, Jiang Huachang, Yang Ruiqin

(zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract: Nanometer TiO 2-Fe photo catalyst was prepared from Ti (Obu)4, C 2H 5OH with certain proportion of Fe 3+ by sol-gel. The structure of the catalyst were characterized by means of XRD and TEM techniques. The catalytic activity was evaluated by photocatalytic degradation of PAR as a model reaction. The results indicate that the photocatalytic activity of the TiO 2-Fe 2O 3 composite catalyst is improved greatly compared with TiO 2, and 0.5%Fe 3+ addition leads to the highest photo catalytic activity. It is also high when the calcinations temperature is 400 oC. Key words: sol-gel; TiO 2-Fe; PAR; anatase; degradation

Corresponding author: Zeng Ling, Professor, College of Biology and Chemistry Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, P. R. China, E-mail: zeng-ling711@https://www.wendangku.net/doc/cc8837768.html,

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