孔道结构TiO_2或Ta_2O_5负载型多酸的制备及其光催化性能研究

【摘要】：采用溶胶—凝胶和程序升温水热法,制备了两类具有较高光催化活性、含钨系多金属氧酸盐的新型固体光催化材料,即介孔结构Na_4W_(10)O_(32)/TiO_2(锐钛矿结构)和微孔结构H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5(无定形结构)复合材料;利用电感耦合等离子原子发射光谱、紫外漫反射光谱、红外光谱、拉曼光谱、和X-射线粉末衍射等手段,对这两类材料进行了组成和结构表征。结果表明,上述光催化材料中,多金属氧酸盐仍保持着最初的基本结构。利用N_2吸附测定、透射电子显微镜及扫描电子显微镜,对以上两类材料的孔道结构、表面物理化学性质和形貌进行了分析。结果表明,这两类催化材料均具有孔结构。其中,Na_4W_(10)O_(32)/TiO_2纳米复合材料平均孔径为3.74nm,平均粒径为8-10nm,粒子之间存在轻微聚集;同样利用溶胶-凝胶方法制备的H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5复合材料的孔道结构、表面物理性质和形貌随H_3PW_(12)O_(40)含量不同而不同。平均孔径分布在1.15-1.91nm之间,属微孔材料;高担载量的H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5纳米材料虽有部分介孔(2.51nm)存在,但主要是由于粒子堆积造成的。低担载量的H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5复合材料由均匀的纳米微球组成,表面形态呈单分散性,平均粒径为25nm左右;随多金属氧酸盐含量的增加,粒子聚集现象明显,平均孔径逐渐减小,说明多金属氧酸盐已进入到载体孔道内部。两类光催化材料的BET比表面积均比母体多金属氧酸有很大提高。 上述光催化材料主要用于降解聚丙烯酰胺及水溶性有机污染物,如罗丹明B,水杨酸及对硝基苯酚。实验结果表明,在可见光的照射下,在光催化剂与有机污染物水溶液组成的非均相体系中,Na_4W_(10)O_(32)/TiO_2可有效降解聚丙烯酰胺;H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5则对水杨酸的矿化效果十分显著。本论文还研究了在近紫外光区H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5对罗丹明B和对硝基苯酚的有效降解,其结果明显优于用同样方法合成的Ta_2O_5及H_3PW_(12)O_(40)/SiO_2;实验结果还表明:速度恒定的水热升温处理并未改变H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5的晶型,但可明显提高纳米材料的光催化性能。Na_4W_(10)O_(32)/TiO_2,H_3PW_(12)O_(40)/Ta_2O_5纳米复合材料优异的光催化性能主要基于多金属氧酸盐及载体TiO_2或Ta_2O_5本身良好的光催化性能、催化剂表面活性点的增加以及多金属氧酸盐与载体之间的协同作用。