热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶光催化性能的影响
刘朝辉, 侯根良, 苏勋家, 郭锋, 肖舟, 贾海鹏
第二炮兵工程大学, 西安 710025

刘朝辉(1982-), 男, 博士研究生. E-mail:lzh007901@163.com

摘要

采用溶胶-凝胶法在常压下经不同温度热处理制备了TiO2/SiO2复合气凝胶光催化剂, 利用XRD、TGA和BET等手段对其微观结构进行表征, 以甲基橙溶液光催化降解实验评价其光催化性能, 研究了热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶的微观结构及光催化性能影响规律. 结果表明: 随着热处理温度升高, TiO2/SiO2复合气凝胶中锐钛矿结晶度升高, 晶粒尺寸增大, 比表面积减小, 使TiO2/SiO2复合气凝胶对甲基橙溶液的光催化降解活性呈现先升后降的变化趋势. 当热处理温度为700℃左右, 紫外光照20 min TiO2/SiO2复合气凝胶对甲基橙溶液的降解率达到95.4%.

关键词: TiO2/SiO2复合气凝胶; 热处理温度; 微观结构; 光催化性能
中图分类号:TB34   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)10-1079-05
Effects of Heat Treatment Temperature on Photocatalytic Activity of TiO2/SiO2 Composite Aerogels
LIU Zhao-Hui, HOU Gen-Liang, SU Xun-Jia, GUO Feng, XIAO Zhou, JIA Hai-Peng
The Second Artillery University, Xi#cod#x02019;an 710025, China
Abstract

TiO2/SiO2 composite aerogels were prepared by Sol-Gel method at ambient pressure and heat-treated at different temperatures. The microstructure of TiO2/SiO2 composite aerogels was characterized by X-ray diffraction (XRD), thermo gravimetric analyzer (TGA) and N2 adsorption-desorption. The photocatalytic activity was evaluated by means of photocatalytic degradation of methyl orange under UV irradiation. The effects of heat treatment temperatures on microstructure and photocatalytic activity were investigated. With the increase of heat treatment temperature, the crystallization of anatase and the anatase grain size increase, however, the specific surface area decreases. As a result, the photocatalytic activity of TiO2/SiO2 composite aerogels is enhanced initially, then decreases with the increase of heat treatment temperature. When the heat treatment temperature is set at about 700℃, the degradation ratio of methyl orange on the TiO2/SiO2composite aerogels reaches 95.4% after irradiated by ultraviolet light for 20 min.

Keyword: TiO2/SiO2 composite aerogels; heat treatment temperature; microstructure; photocatalytic activity

纳米TiO2具有光活性高、催化性能强、无毒、价格低廉等优点, 是一种优良的光催化剂材料, 在光催化领域得到广泛的应用[ 1, 2, 3], 其中TiO2气凝胶比表面积高、吸附效率高受到人们的广泛关注[ 4, 5, 6]. 研究者发现, 与SiO2复合得到的TiO2/SiO2复合气凝胶光催化剂比TiO2气凝胶具有更好的光催化性能[ 7, 8], 并进行了深入研究. 甘礼华等[ 9]发现当SiO2与TiO2摩尔比在1~5之间, TiO2/SiO2气凝胶的光催化性能会随着SiO2含量增加而增强; 本课题组研究也发现[ 10], 随SiO2含量增加, TiO2/SiO2气凝胶的光催化降解活性呈现先升后降的变化趋势.

目前, TiO2/SiO2复合气凝胶的制备工艺研究已较为成熟, 不仅可以通过超临界干燥得到结构较好的TiO2/SiO2复合气凝胶[ 11], 而且可以通过改进工艺, 在常压下制备高比表面积的TiO2/SiO2复合气凝胶[ 9, 12], 从而大幅降低成本. TiO2/SiO2复合气凝胶在应用之前通常需要进行后续热处理, 而后续热处理会改变复合气凝胶的各方面性能, 尤其是会对光催化性能产生显著影响, 但是关于热处理产生影响的内在机理研究报道还较少. 本工作重点探索热处理温度对TiO2/SiO2气凝胶微观结构的影响规律, 探讨热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶光催化性能的影响机理.

1 实验部分
1.1 TiO2/SiO2复合气凝胶的制备

TiO2/SiO2复合气凝胶的制备方法与文献[10]报道相同.

SiO2溶胶制备: 将体积比为10:13:2.4的正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水均匀混合, 用硝酸调节溶液pH值为0.6, 353 K下搅拌30 min, 得到SiO2溶胶, 室温下静置备用;

TiO2溶胶制备: 将体积比为1:2的钛酸丁酯和无水乙醇均匀混合, 用硝酸调节pH值为1, 得到溶液A, 将体积比为4:1的无水乙醇和去离子水均匀混合, 用硝酸调节pH值为0.6, 得溶液B, 再将溶液A与溶液B按体积比4.8:1.0混合, 强烈搅拌20 min, 即得到TiO2溶胶.

TiO2/SiO2复合气凝胶的制备: 在强搅拌下将SiO2溶胶用滴管缓慢滴加到TiO2溶胶中, 并加入适量甲酰胺, 室温下静置直至凝结, 得到复合醇凝胶, TiO2溶胶、SiO2溶胶与甲酰胺的体积比为43:12:1.醇凝胶陈化12 h, 再用无水乙醇浸泡48 h, 其间更换无水乙醇4次, 之后常温下自然干燥, 得到TiO2/SiO2复合气凝胶. 复合气凝胶分别在500℃、600℃、700℃、800℃及900℃下热处理3 h.

1.2 表征方法

利用D/max-rB型X射线衍射仪(Cu Kα, 40kV)分析气凝胶的晶型结构和晶粒尺寸, 利用TGA601热重分析仪分析气凝胶样品的热稳定性, ASAP2010吸附测定仪分析气凝胶的比表面积和孔结构.

1.3 光催化实验

分别向1 L pH值为3、浓度为20 mg/L的甲基橙溶液中加入2.5 g TiO2/SiO2复合气凝胶光催化剂, 并避光搅拌, 使催化剂在反应液中分散均匀且达到吸附平衡, 以型号为GGZ-300的300 W紫外高压汞灯作为光源, 期间每10 min取一次样, 用UV755紫外可见分光光度计在464 nm波长处测定甲基橙溶液样品的吸光度变化. 因甲基橙溶液在0~30 mg/L的低浓度范围内, 其浓度与吸光度呈现出较好线性关系, 故降解率可表示为 D%=[( A0- A)/ A]×100%, 其中, A0为甲基橙溶液达到吸附平衡时的初始吸光度; A为甲基橙溶液降解过程中的吸光度.

2 实验结果与讨论
2.1 XRD分析

图1是不同热处理温度的TiO2/SiO2复合气凝胶样品的XRD图谱, 从图中可知, 500℃热处理时衍射峰宽而平, 对应的全为锐钛矿相, 其结晶度较低. 随着热处理温度的升高, 锐钛矿相结晶度越来越高, 700℃热处理时已较为完全, 但800℃热处理时仍然没有金红石相出现, 900℃热处理时为锐钛矿相和金红石相共存, 且根据公式 WA=1/(1+1.265 IR/ IA)[ 13]( WA为锐钛矿相的质量分数, IA IR分别为锐钛矿相和金红石相的最强衍射峰峰面积)计算出样品中锐钛矿相的质量分数为71%.

图1 不同温度热处理的TiO2/SiO2复合气凝胶的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of TiO2/SiO2 composite aerogels calcined at different temperatures

图2是根据谢乐公式计算得到的不同温度热处理的锐钛矿晶粒尺寸. 随着热处理温度升高, 锐钛矿的晶粒尺寸不断变大. 热处理温度从500→600℃、600→700℃、700→800℃和800→900℃, 锐钛矿相晶粒尺寸分别增大了0.76、5.76、1.26和12.02 nm. 这说明过高的煅烧温度会导致部分TiO2纳米粒子在界面出现部分熔化而粘结, 并最终出现粒子团聚和长大, 温度达到900℃时表现尤为明显. 与热处理纯TiO2气凝胶[ 14]相比, TiO2/SiO2复合气凝胶中锐钛矿相转化为金红石相的相变温度提高了近400℃, 锐钛矿相晶粒尺寸经700℃热处理减小了75.4%, 而且经900℃热处理仍保持在较小尺寸. 这说明TiO2由锐钛矿向金红石相转变是从团聚的锐钛矿粒子内部界面开始的, 并随着热处理温度升高, 逐渐从内部界面向周围扩展, 而SiO2以Ti-O-Si化学键形式与TiO2结合, 有效地阻碍了TiO2纳米晶的团聚, 进而提高其相变温度, 使复合气凝胶具有较好的热稳定性.

图2 热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶中锐钛矿晶粒尺寸的影响Fig. 2 Effects of heat treatment temperature on crystal size of anatase in TiO2/SiO2 composite aerogels

2.2 TGA分析

图3为TiO2/SiO2复合气凝胶的TGA曲线, 测试升温范围为0~800℃. 样品的失重分为三个阶段: 从室温~142.28℃, 失重速度较快, 在78.18℃处达到最快, 失重率为10.59%, 这主要由于凝胶中的吸附水和乙醇的脱附释放造成的; 从142.28~404.54℃, 失重速度也较快, 在263.97℃处达到最快, 失重率为29.16wt%, 主要由于部分残余的未水解的正硅酸乙酯等有机物的燃烧与热分解造成的; 从 404.54~799.27℃, 基本上不失重, 表明有机物已全部除去.

图3 TiO2/SiO2复合气凝胶的TGA曲线Fig. 3 TGA curves of TiO2/SiO2 composite aerogels

2.3 BET分析

图4是500℃、700℃和900℃煅烧处理的TiO2/SiO2复合气凝胶样品在77.35 K时的N2吸附-脱附等温线. 依据IUPAC的分类标准, 它们都属于第IV类等温线, 存在迟滞环, 这类等温线主要出现在孔径为2~50 nm的介孔材料中. 图4的迟滞回线均属于H1型, 产生迟滞回线是毛细凝聚作用的结果. H1型迟滞回线表明不同温度热处理的复合气凝胶样品中的介孔主要是两端开口的管径分布均匀的圆筒状孔, 且孔径分布较均匀. 不同温度煅烧样品的孔径都集中在2.5~10 nm之间, 适宜作光催化剂.

图4 不同温度热处理得到TiO2/SiO2复合气凝胶的N2吸附- 脱附等温线Fig. 4 N2 adsorption-desorption isotherms of TiO2/SiO2 composite aerogels calcined at different temperatures

图5是不同煅烧温度对样品的比表面积及平均孔径的影响规律. 随着煅烧温度的升高, 样品的比表面积和平均孔径均逐渐减小, 与500℃煅烧的样品相比, 900℃煅烧样品的比表面积减小了60.9%, 平均孔径减小了44.8%, 这说明热处理温度对样品的比表面积和平均孔径产生的影响均较大. 这主要是由于高温热处理下TiO2纳米晶发生烧结而团聚, 并且随温度升高烧结不断加剧, 使复合气凝胶的三维多孔结构发生严重坍塌, 导致比表面积和平均孔径显著减小.

图5 热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶的比表面积、平均孔径的影响Fig. 5 Effects of heat treatment temperature on specific surface area and average pore diameter of TiO2/SiO2 composite aerogels

2.4 光催化性能分析

图6反映了在紫外光照10、20和30 min下, 热处理温度与甲基橙溶液降解率的关系. 样品热处理温度从500℃升高到900℃时, 甲基橙溶液降解率总体上先升后降, 在700℃处理达到最大; 900℃处理样品对应的降解率比800℃处理略高, 但比600℃处理要低, 这说明锐钛矿相和金红石共同存在时, 光催化性能会有一定程度提高, 与纯TiO2气凝胶情况类 似[ 14], 但这种影响不显著. 紫外光照10、20和30 min时, 500℃热处理样品对甲基橙溶液降解率分别为42.9%、67.1%和87.1%, 700℃热处理的对应的甲基橙溶液降解率上升为71.3%、95.4%和99.2%; 900℃热处理的又下降为63.5%、82%和90.4%. 由此可见, 适当热处理温度能显著提高TiO2/SiO2复合气凝胶的光催化性能, 最佳热处理温度在700℃左右, 此时TiO2晶化程度较高, 而且晶粒较小, 比表面积降低幅度也不大.

图6 不同温度热处理的TiO2/SiO2复合气凝胶对甲基橙溶液的光催化降解率Fig. 6 Photocatalytic degradation ratio of methyl orange with TiO2/SiO2 composite aerogels calcined at different temperatures

分析热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶的结构及光催化性能的影响结果可知, 热处理温度对TiO2/SiO2复合气凝胶的晶型、晶粒尺寸和比表面积影响程度较大, 从而导致光催化性能存在显著差异. 非晶态的TiO2/SiO2复合气凝胶不具有光催化性能, 当热处理温度从室温升高至700℃时, 复合气凝胶中锐钛矿结晶度越来越高, 结晶越来越完善, 使光催化性能不断提高. 但当热处理温度达到700℃以上时, 过高的热处理温度会使复合气凝胶的晶粒尺寸显著增大, 对于纳米TiO2颗粒来说, 光生电子迁移到晶面的时间 τ可由下式估算[ 15]:

τ = r2 D (1)

式中: r为TiO2纳米晶粒的半径; D为载流子的扩散系数.

由式(1)可知, 随着纳米TiO2粒径的增大, 其受紫外光激发产生的光生电子由晶粒内部迁移到晶粒表面所需时间越长, 光生电子和光生空穴的复合几率就越高, 到达表面的光生电子就越少, 从而催化活性越低.

过高的热处理温度也会使比表面积显著减小, 降低光催化活性. 因为TiO2/SiO2复合气凝胶对甲基橙溶液的催化降解模式是吸附和光催化氧化共同作用, 比表面积的减小, 降低了样品与甲基橙的接触面积, 吸附在TiO2/SiO2复合气凝胶表面以及孔洞内部的甲基橙与·OH结合的几率降低, 不利于发挥TiO2的光催化活性.

3 结论

1) 随着热处理温度升高, TiO2/SiO2复合气凝胶中锐钛矿结晶度升高, 有利于增强光催化活性, 700℃热处理时晶化已较为完全.

2) 随着热处理温度升高, TiO2/SiO2复合气凝胶中TiO2晶粒尺寸增大, 比表面积减小, 热处理温度高于700℃时, 变化尤为明显, 导致光催化性能降低.

3) 热处理可通过改变结晶度、晶粒尺寸和比表面积来显著影响TiO2/SiO2复合气凝胶的光催化性能. 随着热处理温度升高, 复合气凝胶的光催化性能呈现出先升后降趋势, 热处理温度为700℃左右, 复合气凝胶的光催化性能最佳.

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