CN102211033A

CN102211033A - 铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法

Info

Publication number: CN102211033A
Application number: CN2011100939270A
Authority: CN
Inventors: 蒋剑春; 崔丹丹; 孙康; 卢辛成
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2011-10-12

Abstract

本发明公开了一种铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，将钛酸四丁酯加入无水乙醇中,搅拌一段时间后缓慢滴人蒸馏水中，加入乙酰丙酮以及聚乙二醇并调节pH值，强烈搅拌使其水解完全，得澄清透明溶胶；在搅拌下加入尿素，反应后加入处理好的活性炭继续搅拌，然后经超声分散、静置、过滤、洗涤、干燥后焙烧得到氮掺杂的活性炭负载型TiO₂光催化剂；将氮掺杂的活性炭负载型TiO₂光催化剂用氯铂酸溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原后进行烘干，得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂。本发明解决了悬浮体系中二氧化钛光催化剂回收难的问题，进一步提高其对液相染料的光催化效率，同时在可见光条件下有较强的响应。

Description

铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法

技术领域

本发明属于活性炭负载型催化剂制备技术领域，主要涉及一种可见光响应的液体染料脱色用负载型光催化剂的制备方法。

背景技术

半导体TiO₂是目前使用最多的光催化剂，具有无毒、廉价、性能稳定等优点。然而，TiO₂是宽带半导体，只有在占地球表面太阳光的3%～4%的紫外光下才具有催化活性，同时，TiO₂又具有对低浓度污染物催化活性低、悬浮体系中的粉末极易团聚且不易回收等缺点，这些缺点都限制了TiO₂的实际应用。如果将TiO₂负载在多孔载体上，可以起到吸附与催化氧化相互协同作用，实现目标污染物在TiO₂周围的富集，提高光催化效率，同时也解决了回收困难的问题。

通过掺杂金属离子或非金属离子可以提高TiO₂的光催化活性，有些金属离子和非金属原子的掺杂可以通过改变禁带宽度使TiO₂在可见光下表现出一定的光催化活性。目前，对活性炭负载TiO₂体系的离子掺杂结构在气相降解领域有较多研究，在液相污染领域还未能解决可见光催化问题，普遍存在催化活性低的缺点。

发明内容

为了解决现有技术存在的活性炭负载TiO₂体系的离子掺杂结构在液相污染领域催化活性低的问题，本发明提供了一种铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，制备得到的活性炭在可见光具有良好的催化效果，可以应用于液相催化领域。

本发明的技术方案为：一种铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，步骤为：

将钛酸四丁酯加入无水乙醇中,搅拌均匀后滴入蒸馏水中，然后加入乙酰丙酮和聚乙二醇并调节pH值为2～3，强烈搅拌直至水解完全得澄清透明溶胶；在搅拌下加入尿素，反应后加入经过水洗、烘干后活性炭继续搅拌，然后经超声分散后经过常规的静置、过滤、洗涤、干燥、焙烧步骤后得到氮掺杂的活性炭负载型TiO₂光催化剂；将氮掺杂的活性炭负载型TiO₂光催化剂通过等体积浸渍法以氯铂酸溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原后进行烘干，得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂。

按照体积比钛酸四丁酯：无水乙醇：蒸馏水：乙酰丙酮：聚乙二醇=12.5：45：100：10：2，质量比钛酸四丁酯：尿素=1.6的比例投加原料。

所用活性炭的量按照钛酸四丁酯：活性炭=1.3（质量比）。

焙烧温度为400～600℃。

静置时间为24 h。

有益效果：

1. 采用溶胶-凝胶法，通过共掺杂实现Pt / N /TiO₂在活性炭上面的负载，制备负载型光催化剂，提高了光催化降解率，解决了回收难的问题，同时对可见光有一定响应，在可见光下即可对液相亚甲基蓝染料有很好的降解效果。。

2. 本制备方法操作方便，设备简单，易于推广。

附图说明

图1为本发明的亚甲基蓝溶液光催化降解反应装置图。

其中：1空气入口，2冷凝水入口，3光源，4磁力搅拌器，5冷凝水出口，6取样口，7气体出口，8亚甲基蓝溶液

图2是本发明制备的催化剂的XRD图。

图3 是本发明制备的催化剂的SEM图。

图4 Pt / N /TiO₂的紫外可见吸收光谱图。

图5是本发明制备的催化剂对亚甲基蓝溶液降解率图。

具体实施方式

本发明提供一种可见光响应的液体染料脱色用铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，以解决液相光催化效率低以及光催化剂回收的问题，具体步骤如下：

1）将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴入100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的胶体溶液；

2）将1）中制得的TiO₂溶胶在磁力搅拌下加入尿素7.6g，反应30min后加入经过水洗、烘干后的活性炭继续搅拌1h，超声20 min，静置24h后过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次，将负载后的活性炭在120℃下干燥2h，然后于400～600℃下焙烧2h，通过控制焙烧温度而得到不同氮掺杂量的活性炭负载型TiO₂光催化剂;

3）将氮掺杂的纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸溶液（5g/L）浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后进行烘干，得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂。

于可见光条件下，在如图1所示的液相光催化反应装置中，降解亚甲基蓝溶液，通过反应前后溶液吸光度计算降解率以考察所制得催化剂的光催化性能。所用的液相光催化反应装置外观结构上与市面上供紫外光催化反应用的夹套式反应器相同，但是内胆采用滤紫外玻璃材料，另外，采用350W氙灯作用光源，因此在传统的夹套式反应器的基础上，于放置光源的的玻璃管底部增设一个空气入口以携带光源产生的热量。实验开始时，先开启磁力搅拌器，使催化剂在避光条件下预吸附1h后，开启冷凝水和空气泵，然后打开光源进行光催化反应。

图2是本发明制备的催化剂的XRD图，其在25°附近出现明显的衍射峰，说明制得的光催化剂晶型为锐钛矿型；

图3 是本发明制备的催化剂的SEM图，由图中可以看出，纳米TiO₂在活性炭的表面呈现出比较均匀的分布；

图4 是Pt / N /TiO₂的紫外可见吸收光谱图，由图可知，铂、氮共掺杂的纳米TiO₂仍然在紫外光区有很好的吸收作用，同时在可见光区较单一的TiO₂也表现明显的吸收作用，这也是所制备得到的催化剂对可见光具有一定响应的直接原因；

图5 是本发明制备的催化剂对亚甲基蓝溶液的降解率图，实验证明，当亚甲基蓝溶液初始浓度为10mg/L，光催化反应进行6 h后，降解率可达94%。

实施例1：

将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴人100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的溶胶。而后加入6-10目的颗粒状活性炭9.6 g，同时加入尿素7.6g，搅拌1h后超声20 min，净渍24h,过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次。将负载后的活性炭在120℃下干燥2h,于400℃下焙烧2h得到氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂。将氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸（按照Pt在催化剂中质量分数为1%称取）溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后得到铂、氮共掺杂纳米TiO₂。得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂，所得光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解率为75.7%。

实施例2：

将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴人100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的溶胶。而后加入6-10目的颗粒状活性炭9.6 g，同时加入尿素7.6g，搅拌1h后超声20 min，净渍24h,过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次。将负载后的活性炭在120℃下干燥2h,于450℃下焙烧2h得到氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂。将氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸（按照Pt在催化剂中质量分数为1%称取）溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后得到铂、氮共掺杂纳米TiO₂。得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂，所得光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解率为94.1%。

实施例3：

将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴人100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的溶胶。而后加入6-10目的颗粒状活性炭9.6 g，同时加入尿素7.6g，搅拌1h后超声20 min，净渍24h,过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次。将负载后的活性炭在120℃下干燥2h,于500℃下焙烧2h得到氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂。将氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸（按照Pt在催化剂中质量分数为1%称取）溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后得到铂、氮共掺杂纳米TiO₂。得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂，所得光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解率为90.4%。

实施例4：

将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴人100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的溶胶。而后加入6-10目的颗粒状活性炭9.6 g，同时加入尿素7.6g，搅拌1h后超声20 min，净渍24h,过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次。将负载后的活性炭在120℃下干燥2h,于550℃下焙烧2h得到氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂。将氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸（按照Pt在催化剂中质量分数为1%称取）溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后得到铂、氮共掺杂纳米TiO₂。得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂，所得光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解率为57.7%。

实施例5：

将12.5 mL钛酸四丁酯加入到45 mL无水乙醇中,在剧烈搅拌下缓慢滴人100mL蒸馏水中，同时加入10mL乙酰丙酮以及时2mL聚乙二醇，并用1mol/L的盐酸调节至pH为2.0-3.0，强烈搅拌2h使水解完全，得澄清透明的溶胶。而后加入6-10目的颗粒状活性炭9.6 g，同时加入尿素7.6g，搅拌1h后超声20 min，净渍24h,过滤，用无水乙醇和去离子水洗涤数次。将负载后的活性炭在120℃下干燥2h,于450℃下焙烧2h得到氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂。将氮掺杂的活性炭负载型纳米TiO₂通过等体积浸渍法用氯铂酸（按照Pt在催化剂中质量分数为0.5% 称取）溶液浸渍后，加入硼氢化钠还原，一定时间后得到铂、氮共掺杂纳米TiO₂。得到铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂，所得光催化剂对亚甲基蓝溶液的光催化降解率为82.2%。

Claims

1.一种铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，步骤为：

2.如权利要求1所述的铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，按照体积比钛酸四丁酯：无水乙醇：蒸馏水：乙酰丙酮：聚乙二醇=12.5：45：100：10：2，质量比钛酸四丁酯：尿素=1.6的比例投加原料。

3.如权利要求1所述的铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，所用活性炭的量按照钛酸四丁酯：活性炭=1.3（质量比）。

4.如权利要求1所述的铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，焙烧温度为400～600℃。

5.如权利要求1所述的铂、氮共掺杂活性炭负载型二氧化钛光催化剂的制备方法，其特征在于，静置时间为24 h。