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ZnFe2O4的制备及光催化性能

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第1期 材 料 研 究 学 报 V0I.22 No.1 2 0 0 8年2月 CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH February 2 0 0 8 纳米复合材料TiO2/ZnFe2Oa的制备及光催化性能 陈雪冰 邵忠宝z 田彦文 杨雪 1.东北大学材料与冶金学院沈阳l10004 2.东北大学理学院沈阳110004 摘要 用高分子网络凝胶法制备TiO2/ZnFe204纳米复合材料,研究了掺杂ZnFe204对Ti02平均粒径、晶型及其光催 化性能的影响.结果表明,掺杂的ZnF 204纳米晶高度分散、均匀地分布在TiO2表面,促进了Ti02向稳定的金红石相转变, 并抑制了晶粒的长大.ZnFe2O4掺杂量为2%的TiO2/ZnFe204粉体在500℃煅烧后,在可见光范围内具有最佳的次甲基 蓝降解效果,降解率达到100%.ZnFIe204的掺杂扩展了Ti02的光谱响应范围. 关键词 复合材料,铁酸锌掺杂,高分子网络凝胶法,相转变,光催化 分类号0643 文章编号1005—3093(2008)04—0353—04 Preparation and photocatalytic property of nanoscale TiO2/ZnFe2 04 composites CHEN Xuebing SHAO Zhongbao TIAN Yanwenl YANG Xue 1.College of Material and Metallurgy.Northeastern University.Shenyang j 00O4 2 College 0{Sciences Northeastern University Shenyang 1 iooo Supported by Nationa1 Nature Science Foundaion of China No.30270761. Manuscript received January 7.2008;in revised form March 18.2008. } 】10 whom correspondence should be addressed,Tel:(024)83683429,E—mail:shaozongbao@126.com ABSTRACT Nanoscale composites TiO2/ZnFe204 were prepared by the polyacrylamide gel method. The effects of ZnFe204 concentration and Sintered temperature on the properties and photocatalytic activities of TiO2 were studied by XRD.TEM and UV—Vis.The resuIts showed that the SUrface of TiO2 was covered equally with dispersing highly nanocrystal ZnFe204,which accelerated the anatase—to-rutile phase transformation of TiO2 and inhibited the growth of TiO2 particles.The photocataIytic experimental resuIts demonstrated that methylene bIue COUld be photodegraded completely by TiO2/ZnFe204 with 2%(tw)ZnFe204 dope concentration under visible Iight irradiation after sintered at 500℃.The dope of ZnFe204 has expanded spectrum response range of T O2. KEY WoRDS composites,ZnFe204 dopant,polyacrylamide gel,phase transformation,photocatalytic 纳米TiO2具有光催化活性高、化学稳定性好、 也不甚理想.近年来发现,具有尖晶石结构的铁酸锌 低成本、无毒等特点,在废水处理、空气净化和建材 对可见光敏感和不发生化学及光化学腐蚀,是一种具 涂料等方面的应用引起了人们广泛的兴趣[1-4].但 有潜在应用价值的太阳能转换材料.它的不足是价带 是,二氧化钛是一种宽禁带(3.2 eV)半导体材料,只 电位不够高,不能直接用于光催化降解有机物,同时 能利用占太阳光谱不到5%的紫外光,光生空穴与光 光电转换性能也不理想[8-10】.若将铁酸锌掺杂到二 生电子比较容易复合使其光催化效率不高.为了提 氧化钛中,使二者优势互补,可能提高二氧化钛的光 高其光催化活性,传统的方法是掺杂或修饰一些金属 催化效率.制备TiO2/ZnFe2O4复合纳米晶材料的方 或金属氧化物[5-7】,但其条件比较苛刻,有时其效果 法有溶胶凝胶法 和共沉淀方法-12J等.但是,溶胶 凝胶法和共沉淀法对原料和制备条件的要求比较苛 国家自然科学基金30270761资助项目. 刻,了这两种方法的使用.高分子网络凝胶法工 2008年1月7日收到初稿;2008年3月18日收到修改稿 艺比较简单、对反应物的要求比较低,制备出的多组 本文联系人:邵忠宝,教授 分粉体的粒度小,均匀性达到分子水平,特别是制备 温度大大降低-13J.因此本文用高分子网络凝胶法制 维普资讯 http://www.cqvip.com 354 材料研究学 报 22卷 备TiO2/ZnFe204复合材料,并研究其光催化性能 1 实验方法 1.1 TiO2/ZnFe204的制备 按照ZnFe204的掺杂量0%、1%、2%、3%、4% 和5%(质量比),称取适当比例的铁Fe(NO3)3(分 析纯)和锌Zn(NO3)2(分析纯),加入到一定量的 0.2 mol/L的硫酸钛Ti(SO4)2)(分析纯)溶液中,并 立即加入适量的浓(分析纯),用恒温磁力搅拌器 (SHT型双显双控)搅拌使其完全溶解,得到一种无 色溶液.以丙烯酰胺(分析纯)为单体,以N,N一亚甲 基双丙烯酰胺(分析纯)为交联剂,单体与交联剂的 配比为7:2,添加到上述无色溶液中,加热使其完全溶 解,在引发剂过硫酸铵(分析纯)的作用下,在75℃ 左右聚合0.5 h形成凝胶.将凝胶放于温度为70℃ 的干燥箱(HN202-1型控温干燥)中干燥24 h得到 干凝胶,将干凝胶在马弗炉中分别在450℃、500℃、 550℃、600℃煅烧一定时间,得到纳米Ti02/ ZnFeuO4粉体. 图1 ZnFe204掺杂量不同的TiO2/ZnF ̄O4的 XRD谱图 Fig.1 XRD spectrum of TiO2/ZnFe204 with difer- ent dopant concentration sintered at 500℃(a) 1%(b)2%(c)3%(d)4% 表1不同参考条件下的TiO2/ZnFe204的平均粒 径 Ihble 1 Even particle diameter size of 1.2粉体的表征和光催化性能的测定 TiO2/ZnFe204 under diferent refer- enced conditions 用D/MAXRB型x射线衍射仪测定粉料的结 构;用JEM一100VCX透射电镜测量粉料的平均粒径, 粒径分布及形貌. 将次甲基蓝(分析纯,MB)溶于水制备成 ZnFe204 content/% D/nm(500℃、 D/nm(550℃、 1 18 21 2 18 20 3 22 24 4 23 28 5 42 52 0.01 g/L的溶液,在50 m1次甲基蓝溶液中加入 表1)均小于文献报道的最小平均粒径 0.15 g所制备的纳米粉,置于日光下每隔30 min 均粒径(25 nm[n】在500℃烧结,zn2+、Fe0+不是进入了 取一次样,将样品稀释后用高速离 5-机(800型、 O2晶格间隙或取代了Ti4+,而是以复合氧化物微 400o r/arin)分离,然后用optizen2120型紫外/可见 TiO2表面,从而促进 光光度计测定其吸光度.在太阳光下降解3 h后的次 晶形式高度分散地均匀分布在TiO2向稳定的金红石相转变并抑制晶粒长大【l4】. 甲基蓝吸收曲线,在350-900 nm范围内被扫描.由 Ti于太阳光对次甲基蓝也有一定的降解作用,需要同时 对空白样品照射,以获得粉体对次甲基蓝的实际降解 效果. 2结果与讨论 由图3可见,ZnFe204含量为1%的TiO2/ ZnFe2O4粉体,因其ZnFe204的含量太低以至于对 Ti02的降解性能没有太大的影响;由于ZnFe204含 量为2%的TiO2/ZnFe204粒径较小,比表面积较 大,且锐钛矿相和金红石相的比例较佳,在可见光范 围内具有最好的次甲基蓝降解效果,降解率基本达 到100%;对于ZnFe204含量为3%、4%、5%的 2.1 ZnFe204掺杂量对光催化性能的影响 图1表明,在500℃下煅烧,ZnFe204含量为1% 的样品已经出现了微量的金红石相,随着ZnFe204含 量的增大,锐钛矿相与金红石相的比例不断下降.当 ZnFe204的含量为2%时,锐钛矿相与金红石相比例 为9:l;对于ZnFe204含量为3%和4%的样品,在 其XRD谱图可以看到ZnFe204的特征峰,ZnFe204 含量位4%的样品更为明显.具有一定表面缺陷的复 合晶相TiO2具有很高的光催化活性【剖,而ZnFe204 掺杂在一定程度上促进了TiO2晶型转变. 从图2可见,纯TiO2的平均粒径为15 nm, ZnFe2O4含量为2%和3%的TiO2/ZnFe204的平 TiO2/ZnFe2O4粉体,随着ZnFe204含量的增加,次 甲基蓝吸收逐渐增强,即次甲基蓝降解效果逐渐降 低,但是5%TiO2/ZnFe204的降解效果最差.对于 光催化降解反应,锐钛矿相的催化活性比金红石相的 高【坫l,ZnFe2O4因价带电位不够高,不能直接用于 光催化降解有机物,ZnFe2O4含量过大使金红石相过 多,即增大了光催化降解有机物无效成分的含量,因 此次甲基蓝降解效果降低了. 2.2煅烧温度对光催化性能的影响 由表1可以看出,煅热温度越高,TiO2的平均粒 维普资讯 http://www.cqvip.com 4期纳米复合材料陈雪冰等:Ti02Zn/Fe204的制备及光催化性能堑!图3znFe204掺杂量不同的Ti02Zn/Fe204(在500℃煅烧)的次甲基蓝吸收曲线eFig3mthylene2blue2ewabsorptiondifaerencurveoanftTi0Zn/tF04sithtdopconcenrationinteredt500℃20/()图4在不同温度煅烧的Ti0图2Zn/Fe204的XRD谱Fig4XRDspectrumofTi0ture2Zn/Fe204sinteredat图2ZnFe204掺杂量不同的Ti02Zn/Fe204的diferenttempera(a)450℃(b)500℃(C)TEM照片Fig2550℃oo(d)600℃TEMphotdopanfTi0tra2nZnFe20/s4awithdiferenttconcentiointeredt500℃(a)0(b)2%(C)3%径越大随着煅热温度的提高Ti02晶粒生长的驱动力增大为了降低表面能颗粒间团聚的现象增加粉体的颗粒变大从图的Ti024可见nZnFe4204含量为2%在450℃煅烧/zFe20已经出现了微量的金红石相随着温度的升高金红石相的含量逐渐提高用高分子网络凝胶法所制的纯Ti02由锐钛矿相到金红石相的图5相转变温度是550℃[13】这说明铁酸锌的掺杂改变在不同温度煅烧的吸收曲线thyle2Ti02Zn/Fe204的次甲基蓝了二氧化钛从锐钛矿相向金红石相的转变温度使其降低了图100℃Fig5meneblu2ewabsorptioncurveoerefd5表明在可见光范围内在500℃煅烧的样Ti0temZn/eraFe04ithdiferentsint品基本没有吸收说明次甲基蓝降解效果最佳降解pture维普资讯 http://www.cqvip.com 材料研究学报 22卷 率基本达到100%.在此温度煅烧的样品粒径小,比 6 A.I.kokorin,V.M.Arakelyan,V.M.Arutyunian,Spectro- 表面积大,锐钛矿相、金红石相比例较适宜降解次甲 基蓝.在450℃烧结的样品虽然平均粒径小,但锐钛 scopic study of polycrystalline TiO2 doped with van dium,Russian Chemical Bulletin:International Edition, 矿相、金红石相比例太高,相结构不稳定,不利于降 解次甲基蓝.在550℃和600℃煅烧的样品降解次 甲基蓝的效果比较差,因为煅烧温度的升高使平均粒 径增大,比表面积减小,活性中心复合严重,并且团聚 现象增加. 52,93(2003) 7 Y.B.Xie,C.W.Yuan,Visable light induced photocatal- ysis of ceriumion modiied tiftania sol and nanocrystal- lits,Journale of Materials Science nd aTechnology,20(1), 14(2004) 8 HOU Guiqin,LI Zhongqiu,ZHANG Wenli,Progress in 由此可见:复合TiO2/ZnFe204具有更好的光 催化活性,以太阳光为光源降解次甲基蓝的光降解率 可达到100%,比纯Ti02的光催化效率提高25%【 j. ZnFe204和TiO2复合可使粒子表面的光生电子和空 穴有效的分离,从而延长了电子一空穴对的寿命,使 得TiO2的光催化活性提高;ZnFe204是窄禁带半导 体,引入Ti02中使光吸收边红移,扩展了TiO2的光 nanometer-sized zinc ferrite preparation,China Ceramic Industry,13(1),44(2006) (侯桂芹,李中秋,张文丽,纳米铁酸锌制备方法研究进展,中国 陶瓷工业,13(1),44(2006)) 9 LIUHlli,WEIYu,ZHANGYanfeng,JIAZhenbin,Prepa- ration of nanometer-sized ferrite,Journal of Inorganic Ma_ terials,17(1),56(2002) (刘辉,魏雨,张艳峰,贾振斌,纳米铁酸盐的制备研究,无机 材料学报,17(1),56(2002)) 1O M.A.Valenzuela,P.Bosch, J.J.Becerrill, O.Quiroz, A-I.P矗ez,Preparation,characterization and photocat- 谱响应范围;ZnFe204的加入促进了Ti02的晶型转 变,使其在较低的烧结温度下具有较佳的混晶比例, 从而提高了光催化降解有机物的能力. 3结 论 alytic activity of ZnO,Fe203 and ZnFe204,Journal of Photochemisty rand Photobiology A,148,177(2002) 1 1 K.J.Xu,Preparation and characterization Of nan&- 用高分子网络凝胶法制备TiO2/ZnFe204复合 纳米晶材料,掺杂的ZnFe204纳米晶高度分散且均匀 分布在TiO2表面,促进了TiO2向稳定的金红石相转 变,使转变温度降低,并抑制了晶粒的长大;ZnFe204 ZnFe一20_4/TIO_2 films,Journal of Natural Gas Chem- isty,1(18),lrOO(2OO7) 12 YUAN Zhihao,SUN Yongchang,ⅥrANG Yuhong,Effect of ZnFe204 dopant on structural phase transformation and photocatalytic activity of Ti02 nanopowders,Chem- 掺杂量为2%的TiO2/ZnFe2O4粉体在500℃煅烧 后,在可见光范围内具有最佳的次甲基蓝降解效果, 降解率基本达到100%,并扩展了TiO2的光谱响应 范围. 参考文献 1 M.Koelsch,S.Cassalgnon,J.F.Guillemoles,J.P.Jolivet, Comparision of optical and electrochemical properties of anatase and brookite Ti02 synthesized by the sol-gel ical Journal of Chinese University,10(24),1875(2004) (袁志好,孙永昌,王玉红,铁酸锌掺杂对二氧化钛结构相变及光 催化性能的影响,高等学校化学学报,10(24),1875(2004)) 13 SHA0 Zhongbao,CHEN Yanfang,LUAN Wanqiang, CHEN Xuebing.Preparation and photocatalytic charac- teristics of nanometer-sized Ti02 by the polyacrylamide gel method,Chinese Journal of Materials Research,19(2), 213(2005) (邵忠宝,陈艳芳,栾万强,陈雪冰,纳米二氧化钛的制备及其光 催化活性,材料研究学报,19(2),213(2005)) 14 ZHENG Guangtao,SHI Jianwei,CHEN Mingxia,YUAN Jian,SHANGGUAN Wenfeng,Wransformation and photo- method,Thin SoLd Films,403,312(2002) 2 S.Andrzej,D.Lukasz,Photocatalytic destruction of cate- chol on*illuminated titanic,Reaction Kinetics and Catal- catalytic activities of nano-sized TiO2 doped by transition metal ions,Journal of Chemical Industry and Engineering, ysis Letters,82,213(2004) 3 M.Zlamal,J.M.Macak,P.Schmuki,J.K sa,Electrochem— ically assisted photocatalysis on self-organized TiO2 nan— 57(3),564(2006) (郑广涛,旅建伟,陈铭夏,袁坚,上官文峰过渡金属离子掺杂纳 otubes,Electrochemistry Communications,9,2822(2007) 4 GAO Lian,ZHEN Shah,zHANG Qinghong,Photocat- ly ̄c properta ̄and application o{nanoscale Vi02 Mate— 米TiO2的相变与光催化活性,化工学报,57(3),5 ̄(2006)) 15 WANG Jun,PAN ZhUun,ZHANG Chaohong,ZHANG Xiangdong,WEN Fuyu,SUN Wei,ZHANG Hanyu,Tran- sition crystal nanometer Ti02 preparation and sonocat- rials(Beijing,Chemical Industry Press,2002)P.12 (高濠,郑珊,张青红,纳米氧化铁光催化材料及应用(北京, 化学工业出版社,2002)P.12) 5 I.Alessaadri, E.Comini, E.Bontempi, G.Faglia, L.E.Depero, G.Sberveglieri, Cr—inserted Ti02 thin ilfms for chemical gas sensors.Sensors and Actuators B: alytic actiity,Chivnese Journal of Inorganic Chemistry, 21(10),1566(2005). (王君,潘志军,张朝红,张向东,温福宇,孙伟,张邯玉, 转晶纳米TiO2的制备及其声催化活性的研究,无机化学学报, Chemical,128,31(2007) 21(10),1566(2005)) 

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