活性炭负载纳米TiO₂的制备及其光催化性能研究

杨甜 石婷婷 王萱栒 范思璇 段志英

摘要：本文以钛酸正丁酯为原料，以活性炭为载体，利用溶胶-凝胶法制备了活性炭负载纳米TiO2光催化剂，并对光催化剂进行了SEM、X-射线衍射仪和红外光谱等表征实验，探讨了活性炭负载纳米TiO2光催化剂的实际效果和应用前景。在模拟太阳光照射下，以罗丹明B溶液作为目标降解染料，用紫外可见分光光度计测试不同光催化剂的光催化性能。实验结果表明：活性炭负载纳米TiO2光催化剂（AC@TiO2-3）对罗丹明B溶液的催化降解效果最好，活性炭优良的吸附性能提高了对染料的降解作用。

关键字：溶胶-凝胶法;活性炭负载;二氧化钛;可见光催化

中图分类号：O643;X703

社会经济发展，给工业带来了更大的发展空间，同时环境污染问题也日渐严峻[1]。TiO2光催化剂的催化活性高、性能稳定、价格低廉、环保无毒、使用寿命长，用可再生的太阳能作为光源来激活其光催化剂的活性[2][3]。但TiO2光催化剂回收和重复利用的困难限制了它的广泛应用。

多孔性材料负载TiO2光催化剂可以有效地解决这一难题。活性炭是一种经特殊处理的炭，表面具有无数细小孔隙，比表面积大、吸附能力强[4][5]。活性炭原料充足，耐酸碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，是一种环境友好型载体，可以弥补单独使用TiO2光催化剂的不足。

本文结合纳米TiO2光催化氧化和活性炭的特点，活性炭作为载体，采用溶胶-凝胶法制备活性炭负载TiO2光催化剂[6]，探讨纳米TiO2光催化剂和不同比例的活性炭负载纳米TiO2光催化剂的影响和效果。

1 实验部分

1.1 催化剂的制备

1.1.1活性炭载体预处理：称取一定量的活性炭，加入到盛有去离子水的烧杯中（去离子水没过活性炭），放在磁力搅拌器上搅拌10min后，用真空泵减压过滤，于100℃的烘箱内干燥2h，冷却后备用。

1.1.2 取5ml钛酸正丁酯，缓慢加入盛有10ml无水乙醇的锥形瓶内，在磁力搅拌器上搅拌30min，制得淡黄色澄清A液。

1.1.3 取1ml冰醋酸加入盛有2.5ml无水乙醇和1ml去离子水的锥形瓶内，并用浓盐酸（约1-3滴）调节PH值，使其PH<3，制得B液。

1.1.4 在80℃水浴下，增大B液搅拌速度，剧烈搅拌下将A液用滴管缓慢滴入B液中（1min约5ml）。逐渐形成溶胶，继续搅拌形成凝胶，将制得的凝胶产品于80℃烘箱内干燥2h，再放入马弗炉内500℃下煅烧4h，即可制得到纳米TiO2光催化剂，记为TiO2。

1.1.5 将预处理好的活性炭分别按0.5g、1g、1.5g、2g加入以上A、B混合液中搅拌，逐渐形成溶胶，继续搅拌形成凝胶。将制得的凝胶产品于80℃烘箱内干燥2h，放入马弗炉内氮气保护下500℃煅烧4h，得到活性炭负载纳米TiO2光催化剂，分别记为AC@TiO2-1、AC@TiO2-2、AC@TiO2-3、AC@TiO2-4。

1.2 光催化剂性能测试

1.2.1 配置浓度为10mg/L的罗丹明B水溶液备用。

1.2.2 取0.05 g 光催化剂加入100m L罗丹明B溶液中，黑暗条件下充分搅拌30min，并取样。

1.2.3 光催化性能测试在模拟日光灯（250W）下进行，每隔10min取一次样。

1.2.4 样品离心分离后用紫外-可见分光光度计测试罗丹明B溶液的降解程度。

2 结果与讨论

2.1 光催化剂红外分析

在3400-3500cm-1之間出现强而宽的峰，这为氢键O-H缔合的伸缩振动，可能由于活性炭负载纳米TiO2颗粒表面存在羟基基团所致;1300-1400 cm-1的特征吸收峰可能为Ti-O、Ti-H伸缩振动峰，AC@TiO2-4中活性炭含量高，TiO2含量低，红外光谱特征峰逐渐变弱，逐渐趋于直线，接近于活性炭的红外光谱图。

2.2 光催化剂的形貌表征

将TiO2光催化剂和AC@TiO2-3光催化剂在扫描电子镜显微镜（SEM）观察，如图 2图 3所示。

从图中可以直观地观察到凝胶状态下TiO2光催化剂的表面形貌，TiO2凝胶较均匀地分布在活性炭表面，表面较为平整光滑，具有明显的光泽。

从图中可以看到AC@TiO2-3表面生成大量的孔道，易于吸附反应物，为降解污染物提供了反应场所，TiO2分散在活性炭表面及发达的孔道内，形成较均匀的纳米粒子。

2.3 光催化剂XRD分析

从图中可以看出，生成了钛矿型TiO2。2θ值为25.34°、38.04°、 48.10°、54.32°、62.90°和75.14°处的衍射峰分别对应锐钛矿型TiO2的（101）、（004）、（200）、（105）、（204）、和（215）晶面。由于AC@TiO2-4的活性炭含量较多，使得检测到的锐钛矿型TiO2衍射峰较弱，但依然可以看出来生成了锐钛矿型TiO2晶体。

2.4 光催化剂活性测试结果

图 5是光催化剂在模拟日光灯（250W）照射下降解罗丹明B溶液的活性图。

从图可知，光催化活性为AC@TiO2-3> AC@TiO2-4> AC@TiO2-2> AC@TiO2-1> TiO2。AC@TiO2-3 光催化剂吸附作用最强，催化活性最好，光照60min，对罗丹明B溶液的降解率可以达到96%。反应结束后，过滤催化剂并干燥焙烧，重复使用3次，催化活性几乎没有降低。说明所制得的催化剂性能优良，二氧化钛在活性炭载体上附着牢固，没有流失。该光催化剂易于分离和重复使用，具有较好的工业应用前景。

3 结论

本文利用溶胶—凝胶法，以钛酸正丁酯为原料在活性炭表面负载TiO2，得到了一系列光催化材料。X-射线衍射（XRD）分析表明TiO2晶相是锐钛矿型的。活性炭的加入增加了催化剂的比表面积，抑制了TiO2纳米粒子的团聚，提高了反应物和催化剂的接触面积，从而能够提高降解效率，并且易于分离回收再利用。活性炭良好的吸附性能，增加了罗丹明B溶液在光催化剂表面的局部浓度，明显地提高了催化剂的催化活性。本文中制得的活性炭负载纳米TiO2光催化剂具有光催化活性高、化学性能稳定、价格低廉、环保无毒、使用寿命长等特点，提高了TiO2光催化剂回收率和重复利用率，具有更广泛的应用前景。

中央高校本科生创新项目（XBMZ-BYL19046），以及甘肃省自然科学基金（2017GS10863）资助。

作者，杨甜，1999年生，西北民族大学化学工程与工艺学生。

通讯联系人，段志英

参考文献

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潘华; 陈雪松; 王莉; 梅瑜; 中国环境科学， 徐. J. TiO2光催化净化城市隧道中NOx的行为及经济性. 2019， 39 （1）.

余立志; 李京伟; 应用化工， 林. J. 非金属掺杂改性纳米TiO2光催化性能研究进展. 2019， 48 （8）.

Malik， P. K. Dye removal from wastewater using activated carbon developed from sawdust： adsorption equilibrium and kinetics. 113 （1-3）， 81.

段志英;王志超;赵连彪;孙初峰;王彦斌;中国发明专利：一种可见光催化剂及制备方法，授权号：201510537756.4.

Duan， Z.; Wang， Z.; Sun， C.; Zhao， L.; Wang， Y. J. R. A. Facile synthesis of AC@TiO2 -S with improved visible light photocatalytic activity and recyclability through a controllable sol–gel approach. 5 （70）， 56808.