鼓风干燥箱对氮掺杂二氧化钛的制备

伴随着工业持续发展以及人口的不断增长，产生 了大量的生活和工业废弃物，加上化肥和农药的普遍 使用，从而使得水污染问题加剧。虽然近 20 年以来 随着环保意识的增强，我国的污水处理技术有了很大 的提高，可是从总体上来说，我国的污水总量依然存 在逐年增加的现象。目前研究者用来处理受污染水 体的方法主要有吸附法、高级氧化法、生物处理法、 化学沉淀法和离子交换法等。

1 实验部分

1.1 试剂与原料

氨水、无水乙醇、硝酸，均为分析纯，天津市风船 化学试剂科技有限公司产品；钛酸丁酯、盐酸，均为分 析纯，天津市科密欧试剂有限公司产品；亚甲基蓝，分 析纯，天津光复精细化工研究所产品；聚对苯二甲酸 乙二醇酯，纤维级，浙江荣盛石化股份有限公司产品。

1.2 仪器与设备

YP10002 型电子天平，上海箐海仪器有限公司产 品；ZNCL-BS 型磁力加热搅拌器，河南爱博特科技发展有限公司产品；S-4800 型场发射扫描电子显微镜， 日本 Hitach 公司产品；K-Aepna 型 X 射线光电子能谱 仪，美国赛默飞世尔科技公司产品；TENSOR-27 型傅里 叶变换红外光谱仪，德国 Bruker 公司产品；上海一恒DHG9070A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公 司产品；KQ3200DB 型数控超声波清洗器，昆山市超声 波仪器有限公司产品；SX3-4-13A 型智能纤维电阻 炉，天津市中环实验电炉有限公司产品。

1.3 TiO2 粉末的制备

在室温条件下将 10 mL 的钛酸丁酯溶解于 40 mL 的无水乙醇中得到混合溶液。在其中缓慢加入硝酸， 调节溶液的 pH 值为 2.0，搅拌 1 h 使其混合均匀得到 分散液。将分散液静置 24 h 后放入烘箱，在 80 ℃的条 件下干燥 10 h 后研磨得到粉末。最后将粉末放在马弗 炉中，在 450 ℃的条件下加热 3 h 得到纳米 TiO2 粉末。

1.4 N-TiO2

粉末的制备 图 1 为 N-TiO2 粉末的制备过程。 采用溶胶-凝胶法制备 N-TiO2 粉末，在室温的条 件下将 10 mL 的钛酸丁酯溶解于 40 mL 的无水乙醇 中得到混合溶液，在其中缓慢加入硝酸，调节溶液的pH 值为 2.0。然后将 5 mL 氨水缓慢滴入钛酸丁酯乙 醇溶液，充分搅拌 1 h 得到分散液。将上述分散液放入 烘箱，在 80 ℃的条件下干燥 10 h 后研磨得到粉末。最 后将粉末放在马弗炉中，在 450 ℃的条件下加热 3 h 得到 N-TiO2 粉末。


2 结果与讨论

在 400~700 cm-1 处出现的吸收峰来 源于催化剂中的 Ti—O 键，在 3 000~3 500 cm-1 出现 的吸收峰是 O—H 键的伸缩振动吸收峰，这源于样品 中存在的水分子。由图 3 还可见，1 045 cm-1 出现了 一个吸收峰，这是由于 N-TiO2 样品中存在 O—Ti—N 键，说明通过溶胶凝胶法制备的催化剂中有氮元 素的存在。N-TiO2 催化剂中的氮元素主要以 2 种形态进入 TiO2 晶格中：一种是 β-N1s 吸收态，这种吸收态源于 晶格中存在的 N—Ti 键，其电子峰位于 396 eV 左右； 另一种是 γ-N1s 吸收态，这种吸收态源于 TiO2 晶格间 隙中存在的 N2 或 NO 分子，其电子峰位于 402~400 eV 附近。N-TiO2 催化剂在 400 eV 处出现了 γ-N1s 电子峰，这说明氮原子存在于 TiO2 晶格间隙 中，且在 397.5 eV 处有一个较弱的 β-N1s 峰，该峰源 于 N—Ti 键，这是因为氮元素已经进入到催化剂的晶 格内并与钛元素成键 。，放有 0.5 g TiO2 粉末的亚甲基蓝溶液 在太阳光下照射 150 min 之后的降解率为 83.8%，而 放有 0.5 g N-TiO2 粉末的亚甲基蓝溶液在太阳光照射 下 150 min 之后的降解率为 90.5%，要高于 TiO2 粉末。 这是因为溶胶-凝胶法制备的 N-TiO2 晶格中有显著 的缺陷，这使得光生电子和空穴复合的几率降低，量 子效应增强，且带隙能量降低使其光响应范围增加， 催化剂的最大吸收波长发生红移，在吸收紫外光线的 同时还能吸收可见光线，从而使催化剂的光催化性能 得到增强。随着 N-TiO2 用量的提高，亚甲基蓝 的降解率也会有所增高。这可以说明提高催化剂的加 入量能够增加对太阳光的利用率，这是由于随着 NTiO2 粒子的增多，在其表面会有更多的电子空穴对产 生，使反应活性位的数量增多，更多的活性物质会参 与到光催化降解反应中，从而可以提高亚甲基蓝的降解率。

3 结 论

通过溶胶-凝胶法制备的 N-TiO2 粉末具有较好的 光催化性能，对亚甲基蓝有显著的降解作用。实验结果 表明，样品经过 150 min 的光降解，降解率达到90.6%。 样品在晴朗天气下的催化性能最好，而亚甲基蓝溶液 和 NaCl 溶液浓度的提高会抑制光催化降解反应的进 行。为了解决 N-TiO2 粉末在水中的回收问题，实验通 过静电纺丝法将 N-TiO2 负载到聚酯电纺膜上，由此 制备出的 PET/N-TiO2 电纺膜同样具有良好的光催化 性能，经过 150 min 的光降解，降解率可达 86.2%。