纳米光催化材料负载方法研究

时间：2024-07-28

付丹

(辽宁石化职业技术学院应用化学系，辽宁锦州 121001)

自1972年Fujishima和Honda用二氧化钛作为光催化剂分解水制备氢气以来，纳米光催化材料在环境污染物治理领域得到了广泛研究，但是悬浮体系的光催化剂易失活、凝聚、难回收、稳定性差，使得催化剂的负载技术成为科研工作者的研究热点。

1 催化剂载体

催化剂载体是负载技术的关键，载体应不仅能有效固定纳米粉体，而且还要有较大的比表面积及强的吸附能力，利于光催化氧化时吸附被降解物，促进光催化氧化反应进行。同时还要有很好的透光性，以便充分利用光源，使污染物有效降解。另外，载体应具有稳定的化学性质、价格低廉、易于固液分离，便于回收。

常用的催化剂载体[1]如表1：

表1 常用光催化材料载体类型及名称

可见，随着研究的不断深入，催化剂载体种类越来越多，每种催化剂载体都有一定的优缺点，在制备过程中应根据操作条件、反应器设计类型、被处理污染物的特点等有针对性的选择合适的载体，以便有效提高光催化反应中电子和空穴的利用率，提高纳米光催化材料的降解性能。

2 负载方法

在纳米光催化材料的负载方法上，要考虑载体类型、特点、适用范围及纳米光催化剂的特性，综合评价二者负载后制得材料的结构、性质及其对光催化活性的影响因素，最后结合被处理污染物，选择合适的负载方法，常用的负载方法有：

2.1 浸渍-烧结法

浸渍-烧结法制备负载型纳米光催化材料，通常首先要采用合适的方法如：溶胶-凝胶法制备溶胶，然后将载体浸渍于溶胶一段时间，最后经过滤、煅烧等过程制得负载型光催化材料。但是浸渍-烧结法会存在负载膜分布不均匀，从而导致个别地方会出现裂纹，在操作中有必要要重复涂膜，这是浸渍法不可避免的问题。崔鹏[2]等采用溶胶-凝胶法制备活性炭负载二氧化钛膜，通过对甲基橙溶液的降解发现，制备的二氧化钛膜较均匀，重复涂抹2-3次可有效减少因膜分布不均匀而导致的裂纹现象，而且此负载型光催化材料的光催化性能较好。

2.2 脉冲激光沉积法

脉冲激光沉积法利用激光器(KrF准分子、固体UV、Nd：YAG、ArF准分子等)烧蚀靶材(石墨、ZnO陶瓷，GaN、Ti金属、TiO2、SnO2、单纯Ge单晶等材料)，靶材经激光器照射后形成与靶材同材料的高温等离子体，而等离子体在与基板相接触后便在其上沉积，形成薄膜。激光的波长、基板材料、基板温度、环境氧气压强等对薄膜的质量均有影响。赵磊[3]采用脉冲激光沉积法以TiO2为靶材，制备N掺杂纳米TiO2薄膜，制得的纳米氧化钛薄膜，其具有较高的光催化性能。此法沉积速率快、适应性强，但成本高，小功率激光器应用较多，难以适应较大薄膜沉积的需要。

2.3 喷雾热解法

喷雾热解法是将反应物溶解后，再使其雾化，并将经雾化形成的微小液滴喷洒在热的基板上，液滴经热解沉积在基板表面的薄膜制备方法。喷雾量、喷雾距离、液滴大小等都会影响薄膜的质量。并且此法设备简单、成本低廉、操作方便，适于大规模连续生产。李达[4]等采用超声喷雾热解法在玻璃衬底上成功制备N掺杂纳米TiO2薄膜。研究发现，制得的TiO2薄膜表面比较均匀，致密性好，可见光平均透过率超过82%。在紫外光照射下，对亚甲基蓝溶液有较好的光催化降解作用。

2.4 化学气相沉积法

化学气相沉积法(CVD)是将基底暴露在一种或多种不同的前驱物下，在基底表面发生化学反应或化学分解来产生欲沉积的薄膜。化学气相沉积法很多，有等离子体化学气相沉积、激光化学气相沉积、热化学气相沉积及原子层气相沉积等。邢剑飞[5]采用气相沉积法制备了掺硼金刚石(BDD)薄膜电极，考察了电极对于染料废水的电催化降解特性，尤其对于超高COD难生物降解有机废水处理的应用。研究发现，以金刚石薄膜电极为阳极，铜和钛为阴极，对农药厂制药废水进行了降解处理，所处理的废水COD去除率均在90%以上，氨氮去除率也在90%以上，色度去除率接近100%。以钽为基底的掺硼金刚石薄膜电极对于染料进行降解脱色处理，结果表明，色度去除率达99%。且金刚石薄膜电极具有比Ti基RuO2-IrO2电极更为优越的降解脱色能力。

2.5 磁控溅射法

磁控溅射法属于物理气相沉积法的一种，也是制备纳米薄膜常用的一种方法。此法利用电磁和磁场的相互垂直，将电子束缚在一定空间范围内，增加电子接触几率，进而提高电离几率。此法沉积的薄膜一般与基板结合较牢固，且膜致密均匀，但此法对设备要求较高。

2.6 溶胶-凝胶法

Sol-Gel一般以钛醇盐、乙醇为原料，加入少量水及不同的酸和有机聚合添加剂经搅拌、陈化制成稳定的涂膜溶胶，再经煅烧将TiO2附着在各种载体上。这种方法具有TiO2膜与载体结合不易脱落的特点。控制煅烧温度和煅烧时间可得到所需晶相的TiO2膜，改变载体浸入溶胶的方法可控制光催化剂膜厚度。甘昊[6]以凹凸棒石负载TiO2/SnO2复合光催化剂，此催化剂可具有在紫外光和日光下都有较高的光催化活性，重复使用三次后去除率只下降6%左右，而且催化剂沉降性能良好，停止搅拌30分钟即可沉淀完全，催化剂回收、分离方便，具有一定的利用价值。

2.7 直接附着法

催化剂与载体之间不加任何的联结剂，直接利用纳米粒子与载体之间的亲和力连接而成。该方法工艺操作简单，成本低廉，但是纳米粒子附着不坚固，易于脱落，制备的催化剂使用寿命短，不适宜于工业化使用。陶咏[7]等采用玻璃弹簧为载体，将P25-TiO2光催化剂粉末分散在去离子水中形成悬浮液，然后将载体在悬浮液中浸渍一段时间，便制得负载型TiO2光催化剂。制得的催化剂对亚甲基蓝溶液有较好的光催化降解性能。