泡沫金属负载纳米TiO_2的制备、表征及其光催化性能的研究

【摘要】： 光催化技术是一项环境友好的技术,在环境净化领域,特别是在治理室内空气污染领域的应用前景诱人。然而,由于纳米TiO_2颗粒细微,在气相光催化过程中易于损失,难以回收,不利于催化剂的再生和再利用,给实际应用带来了一定困难。制备负载型纳米TiO_2光催化剂,既可以解决催化剂分离回收的难题,还可以克服催化剂颗粒易团聚和稳定性差的缺点,也是应用活性组分和载体的各种功能组合来设计催化反应器的理想途径。 载体的选择直接影响催化剂的活性。常用的光催化剂载体如玻璃球、玻璃纤维、活性炭、沸石、多孔陶瓷和硅胶等等,均存在一定的局限性,而泡沫金属材料作为光催化剂的载体具有热稳定性好和机械强度高等优点,它能够分散负载组分并赋予其较好的稳定性,对光能具有良好的利用率,尤其是其均匀的开孔结构具有优良的流体力学性能,作为光催化剂的载体应用于气相光催化领域有非常显著的优势。光催化剂的负载虽然可以解决回收等一系列技术问题,但是也不可避免地引起了纳米光催化剂比表面积的降低,从而降低光催化剂的活性。因此必须通过载体改性和优化负载工艺来提高载体和催化剂的比表面积,增大负载光催化剂活性点的数量,提高光催化活性。用传统方法在高温条件下制备TiO_2,不仅能耗高、光催化剂的比表面积小,而且对载体的影响大。如果能在低温条件下制备出晶相较好、活性高的TiO_2,就可以解决一系列的实用技术问题。此外,由于TiO_2的量子效率偏低且只能响应紫外光,限制了TiO_2的实际应用,可以通过对TiO_2改性提高其光催化效率和实现对可见光的响应,更充分地利用光能。 本文利用泡沫镍作为载体,通过对载体进行改性和优化负载工艺,制备高活性的泡沫镍基纳米TiO_2光催化剂;通过负载具有大比表面积的中孔材料中间层,增大泡沫镍载体的比表面积,提高复合光催化剂的光催化活性和稳定性;通过低温条件制备比表面积大、光催化活性好的纳米TiO_2,减少对载体的影响;利用表面贵金属Pt沉积和过渡金属Fe3+离子掺杂等方法提高光催化剂的活性和扩展光催化剂的光谱吸收范围,提高光能的利用率。同时,结合XRD、BET、TEM、EPR、XPS和SEM等测试手段,对各种泡沫镍基复合光催化剂的负载方法和光催化性能进行了研究,对载体特性对纳米TiO_2光催化活性影响和Pt沉积与Fe3+掺杂提高TiO_2光催化活性的机理进行了讨论,对某些实用化的关键技术也进行了探讨。论文的研究内容和创新性工作包括: 1.采用溶胶-凝胶法制备泡沫镍基TiO_2光催化剂,研究了泡沫镍载体的预氧化处理和TiO_2的负载次数对光催化剂结构和性能的影响。研究表明:对泡沫镍进行预氧化处理,其比表面积在400 oC到550 oC范围内随着预氧化温度的升高而增大,泡沫镍载体经550 oC预氧化处理后,比表面积较原始泡沫镍约增大一倍,因此可以增加TiO_2的负载量。预氧化处理在载体表面形成的氧化镍可以有效地阻止光生电子向金属载体的迁移,使光催化活性得到提高。经预氧化处理的泡沫镍负载TiO_2的光催化活性比未经预氧化处理的泡沫镍负载TiO_2提高近90 %。在泡沫镍上重复负载TiO_2,增加了TiO_2的负载量,但并不能持续提高光催化剂的比表面积,在重复负载2次后综合效果最佳,光催化活性较负载1次时提高近13 %。在泡沫镍上负载的TiO_2光催化剂由于泡沫镍载体中镍离子在高温加热时的扩散形成镍掺杂的TiO_2,吸收范围扩展到可见光区(λ 520 nm),在可见光下具有较好的光催化活性。 2.采用溶胶-凝胶法在泡沫镍上负载中孔二氧化硅、三氧化二铝以及硅酸铝等中间层,制备泡沫镍基TiO_2/SiO2、TiO_2/Al2O3和TiO_2/Al2O3-SiO2等复合光催化剂。负载中间层后泡沫镍载体的比表面积急剧增大,最高可达167.2 m2 g-1,复合光催化剂的比表面积也可达到近30 m2 g-1,是未负载中间层的泡沫镍基TiO_2光催化剂比表面积的30多倍,提高了负载光催化剂活性点数量,而且中间层可以有效地阻止光生电子向金属载体的迁移,使泡沫镍基复合光催化剂的催化活性和稳定性显著提高。提高复合光催化剂对乙醛的预吸附,可以在催化剂表面附近形成污染物浓度相对较高的环境,有利于光催化反应的进行,但是增大对污染物的预吸附并不是提高光催化剂活性的必要条件,复合光催化剂比表面积的增大才是决定因素。研究结果表明:泡沫镍基复合光催化剂对乙醛的降解率由未负载中间层时照射360 min降解率为90 %提高到照射60 min可降解近100 %;光催化剂的稳定性也由未负载中间层时连续5次试验后光催化效率降低50 %以上,提高到连续10次试验后光催化效率只降低近15 %。 3.用溶胶-凝胶法低温制备金红石相和锐钛矿相的纳米TiO_2和相应的泡沫镍基TiO_2光催化剂。低温制备法在室温下干燥即可形成金红石或锐钛矿相TiO_2的晶相,在相对较低的温度下加热可形成晶相较好的锐钛矿相纳米TiO_2。研究结果表明:低温制备的泡沫镍基锐钛矿相TiO_2光催化剂比金红石相TiO_2光催化剂的光催化活性高。在制备温度同为240 oC时,金红石相TiO_2光催化剂在紫外光照射420 min后乙醛的降解率只能达到40 %;而锐钛矿相TiO_2光催化剂在紫外光照射120 min后乙醛的降解率可达到近100 %。 4.用光催化沉积法和热还原法在泡沫镍基TiO_2光催化剂上沉积贵金属Pt,制备泡沫镍基Pt/TiO_2光催化剂。研究表明:沉积Pt以后光催化活性显著提高,降解乙醛的速率比TiO_2光催化剂至少提高3倍以上。在本试验中Pt的沉积量为0.3 wt %时,Pt/TiO_2的光催化活性达到最高值;超过0.3 wt %以后,其光催化活性反而略有下降。由于Pt的沉积在Pt-TiO_2界面上形成了Schottky势垒,为阻止光生电子-空穴的复合提供了有效的电子捕获阱,减小了光生电子和空穴的复合率,从而提高了光催化剂的光催化活性;但是当沉积过量Pt时,金属反而有可能转变为电子-空穴对的复合中心,增大电子空穴的复合几率;同时金属对紫外光的屏蔽作用会增加,从而使得光催化剂产生的电子和空穴减少,降低了光催化活性。所以Pt在TiO_2表面的负载量应该控制在一个合适的范围内才能有效地提高催化剂活性。 5.用溶胶-凝胶法制备过渡金属Fe3+掺杂的泡沫镍基Fe/TiO_2光催化剂,研究表明:掺杂Fe3+后TiO_2的吸收边随着掺杂Fe3+浓度的升高而逐渐红移,最高可达到近600 nm;锐钛矿TiO_2晶相以及泡沫镍基Fe/TiO_2光催化剂对乙醛气体的吸附并未由于掺杂而发生明显变化;在本实验中,随着掺铁量的增加Fe/TiO_2的光催化活性增加,Fe3+掺杂量为0.3 wt %时对乙醛的降解率最高,超过0.3 wt %以后其光催化活性反而略有下降,显示Fe3+的掺杂存在最佳的浓度。由于掺杂的Fe3+在TiO_2晶格中能够起到浅势捕获阱的作用,通过Fe3+的氧化和还原同时俘获光生电子和空穴,通过降低光生电子-空穴对的复合几率而提高了光催化效率;而当Fe3+的掺杂量继续增加后,电子和空穴陷阱点距离缩短,电子或空穴由体相向表相的迁移过程中遇到了更多的捕获阱,此时Fe3+反而成为间接的光生电子-空穴的复合中心,降低了光催化活性。 本研究制备的泡沫镍基TiO_2光催化剂通过对载体预处理、重复负载TiO_2、负载中孔中间层和催化剂改性等方法,获得了较高的光催化活性。所开发的一系列泡沫镍基TiO_2光催化剂部分产品已经市场化,在上海博物馆青铜器库房中也获得成功的应用,取得了良好的社会和经济效益。