罗丹明B的光催化降解

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1、Vol.21高等学校化学学报No.62000年6月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES958～960[研究简报]掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子光催化剂罗丹明B的光催化降解3王艳芹张莉程虎民马季铭(北京大学化学与分子工程学院,北京100871)关键词TiO2复合纳米粒子;光催化降解;罗丹明B中图分类号O641文献标识码A文章编号025120790(2000)0620958203在悬浮液体系中进行的半导体光催化降解反应中,催化剂的导带电子(或被俘获到半导体表面的电子)还原电解质溶液中的O2分子(受主)是反应的决速步骤,O2分

2、子接受电子后形成的超氧自由基-[1～3]O2或羟基自由基HO·具有很强的氧化能力,能将污染物氧化降解.光生电子和空穴除电荷分离外,还可发生复合.因此,抑制光生电子2空穴对的复合,提高光生电荷的分离效率,延长电荷的寿命[4～7]是提高电荷在半导体ö电解质界面的传输效率,进而提高光催化效率的基本要素.赵进才等曾详细[8,9]研究了在紫外光或可见光照射下罗丹明B(RB)在TiO2悬浮液中光催化降解的机理.我们也曾研究3+3+2+2+了若干过渡金属离子掺杂的TiO2复合纳米粒子的光电化学性质,结果表明,Fe,Cr,Ni,Co离子的掺杂使得TiO2纳米晶电极呈现出p2n型光

3、响应共存的现象,且光电流值小于纯TiO2纳米晶电2+2+[8,9]极的光电流值,而Zn,Cd离子的掺杂则使TiO2纳米晶电极的n型光响应大大增强.本文研究了掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子对光催化降解罗丹明B的影响.1实验部分[10]1.1过渡金属离子掺杂的TiO2复合纳米粒子的制备采用水热法制备TiO2纳米粒子.配制一定浓度的TiCl4原料液,用10molöLKOH调节介质的pH=118(反应液总体积50mL,总浓度015molöL).将50mL反应液转移至小型压力釜中(带电磁搅拌),于170～180℃反应2h,冷至室温放置24h,过滤,用醋酸2醋酸铵缓冲

4、溶液洗涤(防止胶溶),再用乙醇洗涤.同法制备掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子,在TiCl4原料液中加入一定浓度的过渡金属离子,使过渡金属离子的初始比2+2+2+例达到015%(Cd,Ni,Co离子不能完全沉淀,故三者的起始加入量为5%,若未特殊指明,均指起始加入量).所用试剂均为分析纯.1.2光催化降解实验将水热法制得的过渡金属离子掺杂的TiO2复合纳米粒子于480℃热处理30min后用于光催化降解实验.以经改制的500mL圆底烧瓶为储料瓶(带加热及电磁搅拌),带夹套的硬质玻璃管为反应器.将0124gTiO2粉末或金属离子掺杂的TiO2粉末分散在300mL二

5、次去离子水-3中[c(TiO2)=011molöL],加入3100mL110×10molöL的罗丹明B水溶液,超声分散后用HCl或KOH调节pH值.将溶液转移至储料瓶中,通O2,并在避光条件下继续搅拌015h,使染料在TiO2微粒表面的吸附和脱附达到平衡.用高压汞灯(Kmax=365nm)照射,并间隔1h取样10mL,离心分离(10000römin)除去TiO2微粒,以紫外2可见分光光度计测得的罗丹明B在光照过程中吸收光谱的变化算得相应浓度的变化情况,以饱和Ba(OH)2吸收反应中放出的CO2.收稿日期:1999206207.基金项目:国家自然科学基金(批准号:2

6、9673003)和国家教育部博士点专项基金资助.联系人简介:程虎民(1938年出生),男,教授,主要从事纳米材料研究.E2mail:majm@chemms.chem.pku.edu.cn3宿州师范专科学校访问学者.No.6王艳芹等:掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子光催化剂9592结果和讨论2.1介质pH值对纯TiO2纳米粒子光催化降解罗丹明B的影响在不同pH(310～1010)的反应介质中,TiO2光催化降解反应的一级速率常数k及起始反应速率rini值(以光催化反应进行3h计算)均不相同,因而反应进行到4～5h时,残留罗丹明B的质量分数也不相同,其中以pH=

7、610时光催化反应-1-6-1-1的k与rini值最大(分别为01465h与2125×10mol·L·h),因此选择反应介质的pH=6.0.由于介质pH值的变化影响到TiO2表面羟基数目及其所吸附染料罗丹明B的数量,从而影响到光催化的能力.介质的pH值较低,则TiO2的表面羟基数增加,但此时的TiO2微粒带正电,因而对阳离子染料罗丹明B的吸附量减少;而当介质的pH值较高时,TiO2的表面羟基数量减少,吸附的染料量增加.由于表面羟基和吸附的染料均可促进光催化反应,因而罗丹明B的光催化降解过程存在最佳pH值(pH=610).图1(A)给出了pH=610时光催化降解反应

8、中残留罗丹