TiO2-Nb2O5/丝光沸石分子筛的光催化性能

马 允,郑 权,任丽英

(安庆医药高等专科学校 药学系， 安徽 安庆 246052)



【化学工程与材料】

TiO2-Nb2O5/丝光沸石分子筛的光催化性能

马 允,郑 权,任丽英

(安庆医药高等专科学校 药学系， 安徽 安庆 246052)

共沉淀法合成负载型TiO2-Nb2O5/丝光沸石光催化剂，以水体中苯酚的降解效果考查铌负载量对光催化剂反应活性的影响。反应条件为：室温，高压汞灯照射，催化剂投加量0.33 g/L。结果表明，Nb/Ti=0.1时光催化剂的活性最好。

TiO2; Nb2O5; 丝光沸石; 光催化降解

二氧化钛因具有氧化能力强、化学性质稳定、无毒、天然储量丰富等性能，成为最常用的光催化剂[1-3]。目前，铌元素掺杂TiO2的光催化作用研究也逐渐增多，如Nb2O5光催化氧化乙醇[4]、中孔Nb2O5光催化甲醇制备氢气[5]、Nb-Ti复合物光催化分解水[6]、Nb-TiO2催化降解亚甲基蓝[7]等。以分子筛等吸附性材料为载体具有减少中间物进入溶液、增加水体中污染物在催化剂上的吸附能力、增大完全矿化率等优点[8]而受到人们的关注。张志翔等[9-11]发现TiO2负载丝光沸石后可明显提高其光催化效果，但向TiO2/丝光沸石中掺杂铌元素的研究目前还没有报道，因此本课题尝试以丝光沸石为载体，通过在TiO2中掺杂Nb2O5，合成沸石负载型光催化剂，并以其光催化降解苯酚的实验来研究催化剂的活性，探讨出Nb/Ti最佳配比，从而制备出一种稳定、高效的负载型光催化剂。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

药品：钛酸丁酯(CP 江苏宜兴市展望化工试剂厂)、无水乙醇(AR上海化学试剂一厂)、草酸铌(自制)、氨水(AR上海苏懿化学试剂有限公司)。

仪器：KQ318T超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)，GGZ300直管形紫外高压汞灯(上海亚明灯泡厂有限公司)，722N型可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)，100型离心机(常州市国华仪器厂)，202-2型恒温干燥箱(上海实验仪器总厂)，光催化反应器(自制)。

1.2 样品的合成

无水乙醇/钛酸丁酯按4∶1(mL/mL)混合，得到钛酸丁酯的乙醇溶液A。在磁力搅拌下将A加到30 mL 草酸饱和溶液中，滴加完毕后, 将草酸铌溶液加入到上述溶液, 继续搅拌使钛酸丁酯与草酸铌充分混合，该溶液标记为B。

强力搅拌下将定量的丝光沸石加入到氨水中，制成丝光沸石的悬浮液，将溶液B在搅拌的条件下逐滴加入该悬浮液中得到溶液C。溶液C室温陈化24 h，真空泵抽滤分离， 95%乙醇洗涤滤饼2次，蒸馏水超声洗涤滤饼5次，293 K干燥12 h。烘干后放入微波炉辐射加热10 min，当样品降至室温后，再放入微波炉中煅烧10 min，既得成品。采用同样的步骤制备纯二氧化钛及NaY分子筛光催化剂。

实验选取TiO2+Nb2O5含量30%(质量分数)、Nb/Ti(mol/mol)不同时的催化剂为研究对象，以2.0 g丝光沸石为载体固定量，计算得出Nb/Ti(mol/mol)不同时各试剂的理论量，结果见表1。

表1 不同比例催化剂所需各试剂量/mL

1.3 催化剂的活性评价

以水体中苯酚的降解检测样品光催化活性。将定量催化剂溶于500 mL苯酚(100 mg/mL)溶液中，超声分散后置于反应器中，室温下紫外高压汞灯照射。30 min取样一次，样品离心分离，取上层清液3 mL，分别加入1 mL K2Cr2O7、5.6 mL Ag2SO4/H2SO4，483 K恒温干燥箱消解30 min。样品冷却至室温后，于600 nm波长处测其吸光度。溶液中苯酚的量用CODcr法测量[12]，完全矿化部分用饱和 Ba(OH)2溶液吸收产生的CO2[13]测量。

2 结果与讨论

2.1 TiO2/丝光沸石的光催化活性

TiO2/丝光沸石催化剂的反应活性随时间的变化结果见图1。

如上图所示，随着反应时间的增加，COD降解率也随之增大，在开始反应的120 min内，COD降解率快速增加，而随后的120 min内降解幅度变慢，反应到最后的30 min时，COD降解率保持不变，苯酚降解速率的减慢，一方面是由于体系中目标降解浓度减小，另一方面可能是由于随着反应的进行，催化剂的活性有所降低。

2.2 TiO2-Nb2O5/丝光沸石的光催化活性

不同Nb/Ti比的光催化剂反应活性如图2～5所示。

由图2～5可以看出，随着反应时间的增加，催化剂对苯酚的COD降解率都随之增大，当反应至最后一段时间时，降解率变化较为缓慢。主要原因可能是由于开始反应时目标降解物的浓度较大，反应速率较快，因而催化效果较好，而反应进行一段时间后，随着目标降解物的浓度减小，催化剂的降解效率也随着降低。Nb/Ti不同时，苯酚的降解率也不同，当Nb/Ti=0.1时，苯酚的COD降解率达到最大，降解效果最好。

取反应时间240 min不同Nb/Ti时，比较TiO2-Nb2O5/丝光沸石对苯酚的降解率，结果见图6。

由图6可见，Nb/Ti=0时苯酚的矿化率及COD降解率最小，随着Nb/Ti比例的增加，苯酚的降解率也随之增大，当Nb/Ti=0.1时，曲线达到最高点，此时，COD降解率、矿化率取得最大值，降解效果最好，Nb2O5-TiO2/丝光沸石的光催化活性最强。但是继续增大Nb/Ti比例到0.2时，苯酚的矿化率及COD降解率却都减小。造成这种现象可能是由于加入Nb元素后，既能降低TiO2的带隙能，也可降低体系中电子和空穴的直接复合率，故能提高催化剂的活性，但铌的加入量增多时，过多的金属微粒会充当电子-空穴的复合中心，而加速电子-空穴的复合，降低光催化降解的速率。

何杰等[14-15]认为Nb2O5/TiO2催化剂在异丁烯(IB)与异丁醛(IBA)缩合反应中，Nb2O5的加入不超过分散容量时能大幅度增加催化剂的活性，但在光催化降解苯酚的反应中，铌的加入并不能增加TiO2的催化活性，而裴林娟[16]考察偶氮类染料AO7的降解效果时，发现 Nb5+的掺杂可同时提高TiO2纳米管在紫外光区及可见光区的光催化活性，因此，对于Nb2O5负载TiO2的催化反应活性还有待进一步研究。

2.3 载体对催化剂性能的影响

为了考察载体对催化剂的影响，实验合成出TiO2-Nb2O5/NaY分子筛光催化剂，并取反应时间240 min时苯酚的降解率进行比较，结果见图7。

由图7可知，与未掺杂催化剂相比，铌的加入使苯酚COD降解率及矿化率都有所增加，当Nb/Ti=0.1时，矿化率及COD降解率均达到最大，此后，再继续增加铌的含量，反而不利于苯酚的降解。因此Nb/Ti=0.1时，应该是催化剂的最佳配比。

通过对比图6和图7可知，添加铌元素前后，以丝光沸石作载体的光催化剂，其苯酚的COD降解率及矿化率均大于NaY分子筛光催化剂，而光催化的最终目的就是达到完全矿化，因此认为丝光沸石更适合做TiO2-Nb2O5光催化剂的载体。

3 结论

(1)在TiO2中加入Nb2O5后，催化活性有一定提高，在光催化降解苯酚的反应中，催化剂配比为Nb/Ti=0.1时降解效率较好。

(2)选用分子筛作为光催化剂的载体，可明显提高光催化剂的完全矿化率，与NaY分子筛相比，丝光沸石作为载体时，催化活性更好。

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(责任编辑：鞠衍清)

Photocatalytic activity of TiO2-Nb2O5/mordenite molecular sieve

MA Yun, ZHENG Quan, REN Li-ying

(DepartmentofPharmacy,AnqingMedicalCollege,Anqing246052,China)

The TiO2-Nb2O5/modernite supporting photocatalyst was prepared by coprecipitation method. The effect of Nb capacity on the reactivity of photocatalytic was examined by the degradating effect of phenol in water. The reaction conditions were as follows: room temperature, UV light irradiation, 0.33 g/L catalyst dosage. The results showed that the activity of TiO2-Nb2O5/modernite photocatalyst was the best when Nb/Ti ratio was 0.1.

TiO2; Nb2O5; modernite; photocatalytic degradation

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.01.02

2016-12-05

安徽省高等学校省级优秀青年人才基金重点项目(2013SQRL125ZD)

马允(1980—)，女，安徽阜阳人，硕士，讲师，研究方向：催化新材料的合成及表面修饰、改性。

TQ424.29

A

1673-4939(2017)01-0006-04