專利名稱：一種漂浮型Fe-TiO₂/漂珠光催化劑、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光催化劑，特別是一種漂浮型的Fe-Ti02/漂珠光催化劑及其制備 方法，本發(fā)明還涉及該光催化劑在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光響應(yīng)性能和在可見(jiàn)光照射下對(duì)亞 甲基藍(lán)的降解性能。
背景技術(shù)：
在氧化物半導(dǎo)體中，銳鈦礦型納米Ti02光催化活性是最強(qiáng)的，且具有良好的化學(xué) 穩(wěn)定性、抗磨損性、低成本、可以直接利用太陽(yáng)光等優(yōu)點(diǎn)，目前已被逐漸應(yīng)用于廢水處理、水 純化以及空氣凈化等環(huán)境領(lǐng)域。但由于其本身禁帶寬度較大，光響應(yīng)范圍僅停留在紫外光 區(qū)，而這部分能量?jī)H占太陽(yáng)光的不到4%，限制了工業(yè)化的應(yīng)用。改性Ti02以克服上述缺點(diǎn) 成為研究者的主攻方向。目前，常見(jiàn)的改性方法有摻雜離子、貴金屬的沉積、光敏化等技 術(shù)，其中Fe3+的摻雜因其成本較低，操作簡(jiǎn)便以及可以將催化劑的光響應(yīng)范圍擴(kuò)展到可見(jiàn) 光區(qū)而逐漸被認(rèn)可。但是在廢水處理過(guò)程中涉及到的Ti02多為納米級(jí)顆粒，回收困難，容 易造成資源的浪費(fèi)。漂珠是粉煤灰中一種能浮于水面的空心微珠，其化學(xué)成份以二氧化硅和三氧化二 鋁為主，具有顆粒細(xì)、壁薄中空、質(zhì)量輕、高強(qiáng)、耐磨、耐高溫、保溫絕緣、絕緣阻燃等多種功 能。漂珠良好的物化性能為其實(shí)現(xiàn)廢物的資源化再利用提供了良好的平臺(tái)。以漂珠為載體 制備的復(fù)合光催化劑可以長(zhǎng)時(shí)間漂浮于水面，充分吸收光能，其良好的吸附性能也可以提 高光催化劑的降解效能，并且利于回收和多次重復(fù)利用。相比于純Ti02/漂珠，該光催化劑 對(duì)亞甲基藍(lán)具有較好的光催化降解效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是能夠?qū)崿F(xiàn)Fe3+的成功摻雜，并可以有效地將復(fù)合型催 化劑的光響應(yīng)范圍擴(kuò)展至可見(jiàn)光區(qū)域，同時(shí)提供一種能夠較長(zhǎng)時(shí)間漂浮于水面上，且便于 回收和多次重復(fù)利用的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑，同時(shí)還提供了該光催化劑的制備方 法及應(yīng)用。本發(fā)明所涉及的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑，其特征在于載體漂珠呈規(guī)則的球 狀，摻雜Fe3+的Ti02以膜層的形式負(fù)載其上。所述漂珠是粉煤灰中的一種珠狀空心顆粒。本發(fā)明中漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑的制備方法，包括以下步驟1)漂珠預(yù)處理將從粉煤灰中提取的漂珠用稀硝酸浸泡8 12h，之后用蒸餾水漂 洗，直至流出的水呈中性，烘干后備用；2)以鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、乙酰丙酮、Fe(N03)3和超純水為原料，鈦酸丁酯、無(wú)水乙 醇、乙酰丙酮和Fe(N03)3的摩爾比為1 22 1 0. 00005 0. 0005，用濃硝酸調(diào)節(jié)其pH 至3. 5 5. 5，攪拌使其充分反應(yīng)，然后加入聚乙二醇，使鈦酸丁酯與聚乙二醇的摩爾比為 800 1200 1，加熱并攪拌使之充分溶解，即得到黃色透明的摻雜Fe3+的Ti02溶膠；
3)向摻雜Fe3+的打02溶膠中加入步驟1)預(yù)處理過(guò)的漂珠載體，使鈦酸丁酯與漂 珠的質(zhì)量比為5 10 1，攪拌使之混合均勻，浸漬12 36h后，過(guò)濾掉多余的溶膠，將濾 出的樣品烘干，再置于馬弗爐中于400°C 600°C溫度下煅燒1. 5 2. 5h，煅燒后在空氣中 冷卻至室溫，從而制得一次負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑；4)多次負(fù)載過(guò)程以上述步驟3)得到的樣品為載體，重復(fù)步驟2)和步驟3)，以制 得二次負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠光催化劑；重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，以完成多次負(fù)載；5)將步驟4)得到的催化劑樣品用蒸餾水漂洗，并收集漂浮的Fe-Ti02/漂珠光催 化劑，將其置于烘箱中烘干，即制得漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑。上述步驟4)中Fe-Ti02/漂珠的負(fù)載次數(shù)為2 4次。此外本發(fā)明還提供了該漂浮型Fe-Ti02/漂珠在可見(jiàn)光下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液降解過(guò) 程的應(yīng)用。漂珠價(jià)廉易得，且能夠較長(zhǎng)時(shí)間漂浮于水面上，易接受光照，并便于回收且可多次 重復(fù)利用，摻雜Fe3+元素可以使得Ti02光催化劑的光吸收限發(fā)生紅移，見(jiàn)圖2，所以用漂珠 為載體的摻雜Fe3+元素的Ti02復(fù)合光催化劑不僅成本較低，且可以有效的提高光催化效 果。該光催化劑在可見(jiàn)光下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率較高，見(jiàn)圖3。此外，該催化劑的制 備方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，便于工業(yè)化利用。


圖1是本發(fā)明涉及的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑的掃描電鏡形貌圖。圖2是本發(fā)明涉及的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑和未摻雜Fe3+的純Ti02/漂珠 在200nm-900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光響應(yīng)對(duì)比圖譜。圖3是本發(fā)明涉及的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑相比于純Ti02/漂珠在可見(jiàn)光 照射下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率圖。
具體實(shí)施例1、漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑的制備方法實(shí)施例1 1)粉煤灰漂珠預(yù)處理用10%重量比稀硝酸浸泡8h后，用大量蒸餾水漂洗，直至 流出的水呈中性，烘干后備用。2)以34g鈦酸丁酯、71g無(wú)水乙醇、9.8g乙酰丙酮、0. 004g Fe(N03)3和1.8g超純 水為原料，用濃硝酸調(diào)節(jié)其PH為5，攪拌lh，使其充分反應(yīng)，然后加入2. 5g聚乙二醇20000， 加熱并攪拌使之充分溶解，即得到黃色透明的摻雜Fe3+元素的Ti02溶膠；3)向步驟2)中制得的摻雜Fe3+元素的Ti02溶膠中加入3. 4g預(yù)處理過(guò)的漂珠載 體，攪拌使之混合均勻，浸漬12h，過(guò)濾掉多余的溶膠，將濾出的樣品烘干，再置于馬弗爐中 550°C溫度下煅燒2. 5h，煅燒后在空氣中冷卻至室溫；4) 二次負(fù)載過(guò)程以上述步驟3)得到的樣品為載體，重復(fù)2)、3)步驟，以制得二 次負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠光催化劑；5)然后將步驟4)得到的催化劑用蒸餾水漂洗，并收集漂浮型的Fe-Ti02/漂珠光 催化劑，將其置于烘箱中烘干，即制得漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑。其形貌圖如圖1所示。圖1是漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑的掃描電鏡圖。從圖中可以看出漂珠呈球 狀，F(xiàn)e-Ti02在漂珠表面形成了膜層，表面粗糙，有利于增大比表面積，增加吸附性能。圖2中列出了實(shí)施例1制得的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑在200nm-900nm波 長(zhǎng)范圍內(nèi)的光響應(yīng)圖譜。由圖可知，所制備的該催化劑光響應(yīng)范圍已擴(kuò)展至可見(jiàn)光區(qū)域。漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑光催化性能測(cè)試過(guò)程利用自制的光催化反應(yīng) 器，將1. 8g步驟5)中制得的催化劑加到600mL濃度為20mg 廠1的亞甲基藍(lán)溶液中，在暗 光條件下通氣攪拌達(dá)到亞甲基藍(lán)溶液的吸附平衡，隨后即進(jìn)行可見(jiàn)光照射降解亞甲基藍(lán)的 試驗(yàn)，每隔一段時(shí)間取樣，測(cè)量亞甲基藍(lán)的降解效率。圖3中列出了實(shí)施例1制得的漂浮型Fe-Ti02/漂珠光催化劑相比于Ti02/漂珠在 可見(jiàn)光照射下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率圖。由圖知，F(xiàn)e3+的摻雜增加了光催化降解效率。表1中列出了實(shí)施例1中制得的漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑在紫外光照 射條件下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率。實(shí)施例2:1)粉煤灰漂珠預(yù)處理用10%重量比稀硝酸浸泡10h后，用大量蒸餾水漂洗，直至 流出的水呈中性，烘干后備用。2)以34g鈦酸丁酯、71g無(wú)水乙醇、9.8g乙酰丙酮、0. 002g Fe(N03)3和1.8g超純 水為原料，用濃硝酸調(diào)節(jié)其PH為3. 5，攪拌lh，使其充分反應(yīng)，然后加入2g聚乙二醇20000， 加熱并攪拌使之充分溶解，即得到黃色透明的摻雜Fe3+元素的Ti02溶膠；3)向步驟2)中制得的Fe-Ti02溶膠中加入5g預(yù)處理過(guò)的漂珠載體，攪拌使之混 合均勻，浸漬24h，過(guò)濾掉多余的溶膠，將濾出的樣品烘干，再置于馬弗爐中450°C溫度下煅 燒2h，煅燒后在空氣中冷卻至室溫；4) 二次負(fù)載過(guò)程以上述步驟3)得到的樣品為載體，重復(fù)2)、3)步驟，以制得二 次負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠光催化劑；5)然后將步驟4)得到的催化劑用蒸餾水漂洗，并收集漂浮型的Fe-Ti02/漂珠光 催化劑，將其置于烘箱中烘干，即制得漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑。漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑光催化性能測(cè)試過(guò)程利用自制的光催化反應(yīng) 器，將1. 8g步驟5)中制得的催化劑加到600mL濃度為20mg 廠1的亞甲基藍(lán)溶液中，在暗 光條件下通氣攪拌達(dá)到亞甲基藍(lán)溶液的吸附平衡，隨后即進(jìn)行可見(jiàn)光照射降解亞甲基藍(lán)的 試驗(yàn)，每隔一段時(shí)間取樣，測(cè)量亞甲基藍(lán)的降解效率。表1中列出了實(shí)施例2中制得的漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑在紫外光照 射條件下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率。實(shí)施例3 1)粉煤灰漂珠預(yù)處理用10%稀硝酸浸泡12h后，用大量蒸餾水漂洗，直至流出的 水呈中性，烘干后備用。2)以34g鈦酸丁酯、71g無(wú)水乙醇、9.8g乙酰丙酮、0.02g Fe (N03) 3和1. 8g超純水 為原料，用濃硝酸調(diào)節(jié)其PH為5. 5，攪拌lh，使其充分反應(yīng)，然后加入1. 7g聚乙二醇20000， 加熱并攪拌使之充分溶解，即得到黃色透明的摻雜Fe3+元素的Ti02溶膠；3)向步驟2)中制得的Fe-Ti02溶膠中加入6. 8g預(yù)處理過(guò)的漂珠載體，攪拌使之
5混合均勻，浸漬36h，過(guò)濾掉多余的溶膠，將濾出的樣品烘干，再置于馬弗爐中600°C溫度下 煅燒1. 5h，煅燒后在空氣中冷卻至室溫；4) 二次負(fù)載過(guò)程以上述步驟3)得到的樣品為載體，重復(fù)2)、3)步驟，以制得二 次負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠光催化劑；三次負(fù)載過(guò)程以上述二次負(fù)載得到的樣品為載體，重復(fù)2)、3)步驟，以制得三次 負(fù)載的Fe-Ti02/漂珠光催化劑；5)然后將步驟4)得到的催化劑用蒸餾水漂洗，并收集漂浮型的Fe-Ti02/漂珠光 催化劑，將其置于烘箱中烘干，即制得漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑。漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑光催化性能測(cè)試過(guò)程利用自制的光催化反應(yīng) 器，將1. 8g步驟5)中制得的催化劑加到600mL濃度為20mg 廠1的亞甲基藍(lán)溶液中，在暗 光條件下通氣攪拌達(dá)到亞甲基藍(lán)溶液的吸附平衡，隨后即進(jìn)行可見(jiàn)光照射降解亞甲基藍(lán)的 試驗(yàn)，每隔一段時(shí)間取樣，測(cè)量亞甲基藍(lán)的降解效率。表1中列出了實(shí)施例3中制得的漂浮型Fe-Ti02/漂珠復(fù)合光催化劑在可見(jiàn)光照 射條件下對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解效率。表 1 以上是本發(fā)明的思路及實(shí)施方法，具體應(yīng)用途徑很多，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種漂浮型Fe-TiO2/漂珠光催化劑，其特征在于載體漂珠呈規(guī)則的球狀，摻雜Fe3+的TiO2以膜層的形式負(fù)載其上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漂浮型Fe-TiO2/漂珠光催化劑，其特征在于所述漂珠是粉煤 灰中的一種珠狀空心顆粒。
3.—種漂浮型Fe-TiO2/漂珠光催化劑的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)漂珠預(yù)處理將從粉煤灰中提取的漂珠用稀硝酸浸泡8 12h，之后用蒸餾水漂洗， 直至流出的水呈中性，烘干后備用；2)以鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、乙酰丙酮、Fe(NO3)3和超純水為原料，鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、 乙酰丙酮和Fe(NO3)3的摩爾比為1 22 1 0. 00005 0. 0005，用濃硝酸調(diào)節(jié)其pH 至3. 5 5. 5，攪拌使其充分反應(yīng)，然后加入聚乙二醇，使鈦酸丁酯與聚乙二醇的摩爾比為 800 1200 1，加熱并攪拌使之充分溶解，即得到黃色透明的摻雜Fe3+的TiO2溶膠；3)向摻雜Fe3+的TiO2溶膠中加入步驟1)預(yù)處理過(guò)的漂珠載體，使鈦酸丁酯與漂珠的 質(zhì)量比為5 10 1，攪拌使之混合均勻，浸漬12 36h后，過(guò)濾掉多余的溶膠，將濾出的 樣品烘干，再置于馬弗爐中于400°C 600°C溫度下煅燒1. 5 2. 5h，煅燒后在空氣中冷卻 至室溫，從而制得一次負(fù)載的Fe-TiO2/漂珠復(fù)合光催化劑；4)多次負(fù)載過(guò)程以上述步驟3)得到的樣品為載體，重復(fù)步驟2)和步驟3)，以制得二 次負(fù)載的Fe-TiO2/漂珠光催化劑；重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，以完成多次負(fù)載；5)將步驟4)得到的催化劑樣品用蒸餾水漂洗，并收集漂浮的Fe-TiO2/漂珠光催化劑， 將其置于烘箱中烘干，即制得漂浮型Fe-TiO2/漂珠復(fù)合光催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述漂浮型Fe-TiO2/漂珠復(fù)合光催化劑的制備方法，其特征在于步 驟3)中Fe-TiO2/漂珠的負(fù)載次數(shù)為2 4次。
5.權(quán)利要求1所述漂浮型Fe-TiO2/漂珠光催化劑在可見(jiàn)光照射下對(duì)亞甲基藍(lán)降解過(guò) 程中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種漂浮型的、光響應(yīng)范圍可擴(kuò)展至可見(jiàn)光區(qū)的Fe-TiO2/漂珠光催化劑及其制備方法和應(yīng)用，其步驟是室溫下，在鈦酸丁酯和無(wú)水乙醇的混合液中加入適量Fe(NO3)3溶液，形成摻雜Fe3+的TiO2溶膠，然后加入粉煤灰漂珠攪拌進(jìn)行負(fù)載，浸漬24h，過(guò)濾，烘干，煅燒，即得到如電鏡圖所示的漂浮型Fe-TiO2/漂珠光催化劑，然后通過(guò)UV-vis測(cè)試Fe-TiO2/漂珠光響應(yīng)波長(zhǎng)范圍的變化。結(jié)果表明該光催化劑相對(duì)于未摻雜的TiO2/漂珠其光響應(yīng)范圍已經(jīng)擴(kuò)展至可見(jiàn)光區(qū)域，這對(duì)提高太陽(yáng)光利用率具有重要的意義；相比于TiO2/漂珠，F(xiàn)e-TiO2/漂珠在可見(jiàn)光下可以提高降解亞甲基藍(lán)的效率。
文檔編號(hào)B01J37/02GK101862657SQ20101020637
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者李影, 李琴, 王冰, 王煒, 翟建平 申請(qǐng)人:南京大學(xué)