不同制备方法对TiO2/ZSM-5复合材料光催化性能的影响
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Effect of different preparation methods on photocatalytic performance of TiO2/ZSM-5 composite materials
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收稿日期: 2021-12-15
基金资助: |
|
Received: 2021-12-15
作者简介 About authors
赵振涛(1997—),硕士电话:13019810633,E⁃mail:
张丹,副教授E⁃mail:
关键词:
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赵振涛, 谢强, 王宁, 尚润梅, 邢锦娟, 张丹.
ZHAO Zhentao.
目前,根据钛源引入状态,TiO2/ZSM-5复合材料的合成方法可分为气相法和液相法〔14〕。气相法制备的TiO2颗粒致密,吸附性较低,且设备操作条件复杂。相比之下,液相法是实验室最常用的方法〔15〕,液相法中最常见的方法有浸渍法、溶胶凝胶法、沉淀法、水热合成法等。孙家伟等〔16〕在比较不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料时指出,利用溶胶-凝胶法制备的催化剂材料活性组分分布均匀,但干燥过程中孔道发生收缩,影响了材料的吸附性能;浸渍法制备的催化剂活性组分利用率高,但存在活性组分迁移现象。李可心〔17〕在利用水热合成法制备TiO2/ZSM-5复合材料时发现,负载后TiO2的晶型和形貌虽然未发生明显改变,但却发生了团聚现象。徐春宏等〔18〕利用沉淀法制备了TiO2/膨胀珍珠岩复合材料,TiO2实际负载量较低。这表明,利用不同方法制备的催化剂材料存在差异,选择一种合适的TiO2/ZSM-5复合材料制备方法具有重要的研究价值。
本研究分别采用浸渍法、水热合成法、均匀沉淀法、溶胶-凝胶法4种不同方法制备了TiO2/ZSM-5复合材料,比较了不同合成方法对复合材料的形貌、结构的影响,并考察了复合材料光催化降解罗丹明B(RhB)的催化活性。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
试剂:钛酸丁酯(质量分数98.0%);乙酸(质量分数99.5%);ZSM-5分子筛(Al2O3/SiO2质量比为30,实验室自制);异丙醇(质量分数99.7%);硫酸氧钛(TiOSO4,质量分数≥38.0%,以TiO2计);尿素(质量分数99%);RhB(Q/12GF 03-2019);抗坏血酸(质量分数99.7%);草酸铵(质量分数99.5%);乙酰丙酮(质量分数≥99%)。
仪器:马弗炉,恒温水浴锅,蠕动泵,聚四氟乙烯反应釜(安全工作温度≤220 ℃,压力≤3 MPa)。
1.2 TiO2/ZSM-5复合材料的制备
1.2.1 浸渍法(IMP)
室温下,取4 g ZSM-5分子筛缓慢加入盛有60 mL异丙醇的烧杯中,不断搅拌使其分散均匀。在形成的悬浊液体系中滴加0.5 mL乙酸,同时加入0.05 mL乙酰丙酮,搅拌10 min,然后往此烧杯中缓慢加入4.3 mL钛酸丁酯,配成A液;在另外一个烧杯中取3 mL质量分数为50%的乙醇溶液,称为B液;利用蠕动泵将B液缓慢加入A液中,待钛酸丁酯完全溶解,将形成的淡黄色溶胶在80 ℃恒温干燥,500 ℃焙烧2 h,得到TiO2/ZSM-5复合材料。
1.2.2 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)
以乙酸和乙酰丙酮为抑制剂,先将1.08 mL钛酸丁酯缓慢滴加到10 mL异丙醇中,搅拌30 min后,配成C液;取0.5 mL质量分数为50%的乙醇溶液、0.01 mL乙酰丙酮和0.5 mL乙酸,搅拌混合,配成D液;将D液缓慢加入到C液中,在钛酸丁酯充分水解形成透明溶胶后,在透明溶胶中加入1 g ZSM-5分子筛,搅拌至体系黏稠,静置得到凝胶。将凝胶干燥、研磨后,在马弗炉中500 ℃焙烧2 h,得到TiO2/ZSM-5复合材料。
1.2.3 水热合成法(HT)
采用和Sol-Gel法相同的过程,先形成溶胶,后将形成的溶胶放入聚四氟乙烯反应釜中于180 ℃保持48 h,结束后将样品离心,并洗涤、过滤2~3次,然后在80 ℃恒温烘箱中烘干,得到TiO2/ZSM-5复合材料。
1.2.4 均匀沉淀法(HP)
以尿素为沉淀剂,将5 g ZSM-5分子筛加入装有100 mL水的烧杯中,不断搅拌使其分散均匀,并加入3.3 g TiOSO4和2 g尿素,待充分溶解后移至三口烧瓶中,在75 ℃水解2 h。待反应结束后充分洗涤、过滤,直到往洗涤液中加入BaCl2溶液检测不到白色沉淀为止〔18〕,然后将所得样品烘干并放入马弗炉中500 ℃焙烧2 h,得到TiO2/ZSM-5复合材料。
1.3 光催化降解实验
图1为光催化反应装置图。以250 W高压汞灯为光源、RhB溶液为目标污染物,将汞灯放置于夹套烧杯上方,并在夹套烧杯中持续通入冷凝水冷却,夹套烧杯下方放置磁力搅拌器,保持转速稳定。
图1
RhB溶液降解率公式:
Langmuir⁃Himshelwood模型:
式中,R为降解率;C0 为RhB溶液初始浓度;Ct 为不同降解时间所对应的RhB溶液浓度;k为一级反应速率常数;t为紫外光照射时间。
1.4 TiO2/ZSM-5复合材料的表征
利用日本理学株式会社Rigaku Ultima Ⅳ型X射线粉末衍射仪对材料的晶相进行分析,Cu Kα辐射,扫描范围为5°~55°;利用日本日立公司S-4800型冷场发射扫描电镜对材料的形貌进行分析;利用日本岛津公司IRTracer-100型傅里叶变换红外光谱仪对样品的化学成键情况进行分析,样品用KBr压片,扫描范围为400~4 000 cm-1;利用日本岛津公司UV-2550型紫外分光光度计考察材料光响应性能,以BaSO4白板为参比,扫描范围为200~800 nm;利用法国HORIBA公司Fluoromax-4NIR荧光分光光谱仪分析样品光生电子和空穴分离效率,激发波长为300 nm。
2 结果与讨论
2.1 TiO2/ZSM-5复合材料的物相和形貌分析
2.1.1 XRD分析
图2是ZSM-5分子筛和不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的XRD表征。
图2
图2
ZSM-5和TiO2/ZSM-5复合材料的XRD
Fig. 2
XRD of ZSM-5 and TiO2/ZSM-5 composite materials
如图2所示,负载TiO2后的所有复合材料在7°~10°和22.5°~25°之间均可以观察到5个明显的特征峰,这是典型的MFI型拓扑结构特征峰,分别对应ZSM-5分子筛的(101)、(200)、(332)、(051)和(303)晶面〔21〕,表明采用不同方法负载TiO2后,ZSM-5分子筛本身的结构并没有发生变化。在衍射角2θ位于25.2°、37.8°、48.0°、54.0°、55.0°、62.7°处出现的特征衍射峰与锐钛矿型TiO2的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)晶面相对应,证明样品中TiO2为锐钛矿型〔5〕。同时,根据Scherer公式估算出不同方法制备的复合材料中TiO2晶粒尺寸大约在20~50 nm。Scherer公式见
式中,D是平均晶粒尺寸;K为常数,一般取1;λ是X射线波长;θ是布拉格衍射角;β是衍射峰半高宽。
2.1.2 SEM分析
图3是ZSM-5分子筛和不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的SEM图。
图3
图3
ZSM-5和TiO2/ZSM-5复合材料的SEM
(a)ZSM-5;(b)HT法(c)HP法;(d)Sol-Gel法;(e)~(f)IMP法
Fig. 3
SEM of ZSM-5 and TiO2/ZSM-5 composite materials
未负载TiO2的ZSM-5分子筛〔图3(a)〕表面光滑且呈柱状。负载TiO2后分子筛表面形貌明显变粗糙,这是TiO2分散到ZSM-5分子筛表面导致的。利用HT法制备的复合材料表面TiO2颗粒分布不均匀且颗粒之间稍有团聚〔图3(b)〕,这可能与材料制备过程中所处的高温高压环境有关。HP法〔图3(c)〕和Sol-Gel法〔图3(d)〕制备的材料同样可观察到TiO2颗粒分布不均匀且有团聚的现象,Sol-Gel法制备的复合材料表面TiO2颗粒甚至出现严重堆积。IMP法〔图3(e)~(f)〕制备的复合材料TiO2颗粒分散均匀,未观察到颗粒之间出现团聚现象。对IMP法制备的复合材料进行元素面扫分析,复合材料中O、Si、Al、Ti、Na元素分布均匀,与SEM分析结果相一致,结果见图4。
图4
图4
IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的EDS
(a)IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料;(b)O元素分布;(c)Si元素分布;(d)Al元素分布;(e)Ti元素分布;(f)Na元素分布
Fig. 4
EDS of TiO2/ZSM-5 composite material prepared by impregnation method
2.2 TiO2/ZSM-5复合材料的化学成键分析
图5是ZSM-5分子筛和不同制备方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的FT-IR表征。
图5
图5
ZSM-5和TiO2/ZSM-5复合材料的FT-IR
Fig. 5
FT-IR of ZSM-5 and TiO2/ZSM-5 composite materials
由图5可知,3 436 cm-1和1 641 cm-1处的吸收峰分别是水中羟基(―OH)的伸缩振动峰与弯曲振动峰〔23〕;1 099 cm-1处是由于Al取代Si后不对称而出现的特征吸收峰;792 cm-1处是Si—O—Si的弯曲振动峰;548 cm-1处是ZSM-5骨架结构中双五元环的振动吸收峰;450 cm-1处是ZSM-5骨架结构中SiO4四面体的Si—O键的伸缩振动峰〔11〕。这表示在负载TiO2后ZSM-5骨架结构中Si(Al)O4框架结构并没有被破坏,与XRD分析结果一致。文献〔6,24〕指出,Ti—O—Si振动吸收峰出现在950~960 cm-1附近,在谱图中此波数范围均未观察到明显吸收峰,说明无论采取哪种方法制备TiO2/ZSM-5复合材料,TiO2都未与ZSM-5分子筛产生化学键合作用,只是分散在分子筛的外表面或孔道中〔25〕。
2.3 TiO2/ZSM-5复合材料的光学吸收特性
图6是ZSM-5分子筛、TiO2和不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的UV-Vis表征。
图6
图6
ZSM-5、TiO2和TiO2/ZSM-5复合材料的UV-Vis图
(a) UV-Vis曲线图 (b)带隙能拟合曲线
Fig.6
UV-Vis patterns of ZSM-5,TiO2 and TiO2/ZSM-5 composite materials
式中,F(R)是函数;R是漫反射率;h是普朗克常量;ν是光的频率;B是常数;Eg是带隙能。
图7是在300 nm激发波长下,TiO2和不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的PL表征图谱。
图7
图7
TiO2和TiO2/ZSM-5复合材料的PL图谱
Fig. 7
PL patterns of TiO2 and TiO2/ZSM-5 composite materials
图7中所有材料在波长为350~500 nm时均有发光信号,不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的PL图谱均与TiO2相似,将TiO2负载到ZSM-5表面没有产生新的发光现象。同时,低激发强度意味着电子空穴复合率降低,光催化效果好。IMP法制备的复合材料PL光谱强度最低,可能与分子筛所带的负电荷填补光生空穴有关,表明利用IMP法制备的材料光催化效果最好,与UV-Vis表征分析结果一致。
2.4 光催化降解RhB性能
图8
图8
ZSM-5、TiO2和TiO2/ZSM-5复合材料对RhB光催化降解效果
(a)RhB溶液降解曲线 (b)RhB降解一级动力学曲线
Fig.8
Photocatalytic degradation effect of ZSM-5, TiO2 and TiO2/ZSM-5 composite materials on RhB
表1 TiO2和TiO2/ZSM-5复合材料的一级反应动力学参数
Table 1
样品 | IMP | HT | Sol-Gel | HP | TiO2 |
---|---|---|---|---|---|
k/min-1 | 0.050 65 | 0.030 92 | 0.018 88 | 0.014 87 | 0.014 77 |
R2 | 0.989 42 | 0.987 43 | 0.938 32 | 0.945 44 | 0.909 61 |
由图8(a)可知,ZSM-5分子筛在暗反应时对RhB吸附性能较好,但并未呈现出明显的光照降解性能。采用不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料对RhB的降解率均高于纯TiO2,这是由于TiO2颗粒均匀分散在ZSM-5分子筛表面,避免了因团聚造成的活性位点缺失和比表面积减少。其中,采用IMP法和HT法制备的材料对RhB的降解效果较好,120 min时RhB降解率分别为99.8%和98.2%。采用Sol-Gel法和HP法制备的材料对RhB降解效果相对较弱,这与活性组分流失或TiO2颗粒分散不均匀有关。图8(b)是TiO2和不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料对RhB降解的一级动力学曲线。-ln(C0/Ct )与t具有良好的线性相关性〔20〕,表明RhB光降解反应符合一级动力学反应。结合表1各复合材料的一级动力学拟合参数可得,不同方法制备的TiO2/ZSM-5复合材料一级反应动力学常数k均大于TiO2,表明负载可以提高TiO2催化活性,IMP法制备的复合材料k最大,说明该方法制备的材料活性最高。
2.5 光催化反应条件和催化剂稳定性研究
以IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料为催化剂,研究了催化剂投加量和RhB溶液pH对RhB降解效果的影响,结果见图9。
图9
图9
IMP法制备TiO2/ZSM-5复合材料添加量(a)和RhB溶液pH(b)对降解率的影响
Fig.9
Effects of the dosage of TiO2/ZSM-5 composite material prepared by impregnation(a)and RhB solution pH(b)on photocatalytic degradation
循环利用能力是衡量合成材料稳定性的重要依据。IMP法制备TiO2/ZSM-5复合材料循环使用5次时光降解效率依次为99.8%、95.6%、92.6%、89.4%、85.3%,循环5次后,材料仍然具有较高的光催化活性,表明IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料稳定性较好。
2.6 活性组分分析
为探究TiO2/ZSM-5光催化降解RhB的机理,利用自由基猝灭实验分析了反应过程中的活性物种。在其他条件相同的情况下,分别添加10 mmol抗坏血酸(VC)、草酸铵(AO)和异丙醇(IPA)作为超氧自由基(
表2 猝灭剂对RhB降解的影响
Table 2
猝灭剂 | - | VC | AO | IPA |
---|---|---|---|---|
猝灭活性组分 | - | h+ | ·OH | |
RhB降解率/% | 99.8 | 26.4 | 73.6 | 90.2 |
3 结论
(1)利用ZSM-5分子筛作载体制备TiO2/ZSM-5复合材料,可优化TiO2的性能。ZSM-5分子筛提供的较大比表面积可以有效地避免TiO2颗粒的团聚。ZSM-5分子筛良好的吸附性能增大了TiO2颗粒周边RhB的浓度,从而增强了光催化降解的效率。
(2)不同方法制备的复合材料对RhB降解率不同,IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料的RhB降解率最高,这归因于IMP方法制备的复合材料活性物种保留较好,且TiO2颗粒大小相对均一且分布均匀。其他方法制备的复合材料均可观察到TiO2颗粒出现了团聚现象,RhB降解率相对较低。同时,将TiO2负载到ZSM-5分子筛表面,并不会产生新的光致发光现象。
(3)在对IMP法制备的TiO2/ZSM-5复合材料分析时发现,复合材料稳定性较好,在重复使用5次后仍可以达到理想的降解效果。在对光催化反应条件分析时发现,复合材料添加量为0.2 g、RhB溶液pH为11时,光催化效果最好。
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