趙翠華，陳建華，單志強(qiáng)
(廣西大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004)

　　摘要：采用溶膠_凝膠工藝在不同載體表面制備了均勻透明的TiO2薄膜。甲基橙水溶液的光催化降解實(shí)驗(yàn)表明：不同負(fù)載的TiO2薄膜具有不同的光催化活性，鈦片的光催化活性最高，然后是陶瓷、不銹鋼、鋁片、釉面瓷磚、玻璃，銅片最低；而且其光催化活性還與負(fù)載的加熱溫度有關(guān)，加熱溫度為520℃時(shí)鈦片的光催化活性最高，580℃時(shí)陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼和玻璃的催化活性最高，而460℃時(shí)鋁片的光催化活性最高。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；光催化；二氧化鈦；載體
　　中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2455(2004)03-0015-03

An Experimental Study of Effects of Different Substrates
on Photocatalytic Activies of Loaded TiO2 Thin Films
ZHAO Cui-hua，CHEN Jian-hua，SHAN Zhi-qiang
(Resource and Environment College，Guangxi University，Nanning 530004，China)

　　Abstract：Uniform and transparent TiO2 thin films on different substrates were made by sol-gel method. The photocatalytic degradation experiment with methyl orange aqueous solution showed：The TiO2 thin film on　different substrates had different photocatalytic activities，which was the highest with titanium slice，followed by　ceramic，stainless steel，Al slice and glazed ceramic tile，and was the lowest with glass.Moreover，their　photocatalytic activities were related to the heating temperature of the substrates.The photocatalytic activity with　titanium slice was the highest when the heating temperature was 520 ℃，the photocatalytic activities with　ceramic，glazed ceramic tile，stainless steel and glass were the highest when the heating temperature was 580℃，while that with Al slice was the highest when the heating temperature was 460℃.
　　Key words：sewage disposal；photocatalysis,TiO2；substrate

　　以二氧化鈦等半導(dǎo)體為催化劑的光催化技術(shù)是近20年來環(huán)境研究的熱點(diǎn)之一[1]，許多研究[2]，表明它可以較好地降解水和空氣中的很多污染物，包括有機(jī)物和無機(jī)物。但是由于傳統(tǒng)的粉末光催化劑存在著二次分離和回收等問題，許多研究者把目光轉(zhuǎn)向了固化二氧化鈦體系，即把二氧化鈦光催化劑固定在一種載體上，制備成一種薄膜。
　　本文采用溶膠_凝膠法在不同的載體(鈦片、玻璃、鋁片、陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼、銅片)表面制備二氧化鈦薄膜，來考察不同載體對(duì)負(fù)載TiO2薄膜光催化活性的影響，而且對(duì)不同載體的加熱工藝進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 二氧化鈦薄膜的制備
　　以鈦酸四正丁酯為原料，以三乙醇胺為抑制劑來制備溶膠。具體配制方法如下：取17.0mL鈦酸正四丁酯和4.8mL三乙醇胺溶解到67.3 mL無水乙醇中，攪拌2h，然后再加入10mL無水乙醇和1 mL蒸餾水，再攪拌30 min，即得到淡黃色的透明溶膠。
　　把鈦片、鋁片、不銹鋼、玻璃、釉面瓷磚和陶瓷切割成10mm x 10mm的方形，相繼用酸、堿和酒精清洗后涼干。把這6種清洗涼干后的載體分別浸漬在溶膠中，提拉速度為200mm／min，取出后放到100℃的馬弗爐中保溫30min，然后分別以每分鐘5 ℃的速率升溫到一定的溫度(400℃，460℃，520℃，580℃，640℃，700℃等)，在此溫度下再保溫1h，即得到不同加熱工藝下不同負(fù)載的二氧化鈦薄膜。
1.2 分析方法
　　采用甲基橙作為光催化降解物。甲基橙在0～20 mg／L范圍內(nèi)其質(zhì)量濃度和吸光度成正比，可以用紫外分光光度法在450nm處，測(cè)定光解前后甲基橙的吸光度，然后計(jì)算甲基橙的脫色率。
1.3 實(shí)驗(yàn)過程
　　光催化實(shí)驗(yàn)在自制的循環(huán)式光催化處理儀進(jìn)行。如圖1所示。

　　取300mL質(zhì)量濃度為6.7 mg／L的甲基橙溶液到反應(yīng)器，容器的上部放置經(jīng)過熱處理的含有二氧化鈦薄膜的不同載體，容器中含有2個(gè)小型電動(dòng)機(jī)，使被處理水循環(huán)流過載TiO2的片體。水樣中插入一個(gè)充氣的細(xì)管，以便充人一定量的空氣。300W的紫外燈在距離載體10cm處。每光照20min取一次樣，以便分析甲基橙脫色率的變化。

2 結(jié)果和分析

　　關(guān)于光催化負(fù)載加熱工藝對(duì)光催化活性的影響，以前也有人研究過，但是所得的結(jié)論不很統(tǒng)一，針對(duì)這種情況，本文又對(duì)不同負(fù)載加熱工藝對(duì)光催化活性的影響進(jìn)行了研究。圖2為光照20min時(shí)，TIO2薄膜對(duì)甲基橙脫色率的影響。

　　從圖2可以看出，在580℃時(shí)，陶瓷、玻璃、釉面瓷磚、不銹鋼等二氧化鈦負(fù)載的光催化活性最好，在460 ℃時(shí)，鋁片負(fù)載的光催化活性最好，而520℃時(shí)鈦片的光催化活性最好。TiO2晶體的結(jié)構(gòu)以及TiO2粒子的大小與其光催化效率有關(guān)。隨著加熱溫度的提高，TiO2會(huì)從無定型向銳鈦礦型進(jìn)而向金紅石型轉(zhuǎn)變，而且隨著溫度的升高，粒徑逐漸減小。研究表明TiO2光催化劑起光催化作用的是銳鈦礦型結(jié)構(gòu)，溫度過低，TiO2呈無定型結(jié)構(gòu)，過高呈金紅石型，無定型結(jié)構(gòu)和金紅石結(jié)構(gòu)都不利于光催化反應(yīng)；另一方面，溫度過低，TiO2的粒徑大，也不利于光催化反應(yīng)，因此TiO2薄膜的加熱溫度有一個(gè)最佳值。另外TiO2薄膜的加熱溫度還與載體的類型有關(guān)，這是由于TiO2薄膜與載體之間的相互作用所致。
　　圖3是光照40 min時(shí)鋁片、不銹鋼、鈦片、陶瓷、釉面瓷磚、玻璃和銅片為載體時(shí)二氧化鈦薄 膜對(duì)甲基橙脫色率的影響。其中鈦片是在520℃時(shí)所得的二氧化鈦薄膜負(fù)載，而鋁片的熱處理溫度是460℃，不銹鋼、釉面瓷磚、陶瓷、玻璃和銅片的熱處理溫度都是580℃。

　　從圖3看出，甲基橙脫色率最高的是鈦片，其次是陶瓷、不銹鋼、鋁片、釉面瓷磚、玻璃，最差的是銅片。導(dǎo)致這種差別的原因可能有兩個(gè)：
　?、佥d體表面的吸附。由于陶瓷表面比較粗糙，比表面積大，因此陶瓷和TiO2薄膜之間的物理吸附能較大。其它的幾種載體表面比較光滑，所以其物理吸附能較小。另外，TiO2薄膜和載體之間可能發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)有利于電子和空穴的分離并增加了對(duì)反應(yīng)物的吸附，提高了TiO2的光催化活性，由于載體不同，所以形成的化學(xué)鍵不同，其光催化活性也不同。
　?、赥iO2薄膜與載體之間通過相互擴(kuò)散形成了一個(gè)漸變界面，載體不同，他們的界面也不同，因而其附著性能不同。另外，在TiO2薄膜與載體之間形成的界面處還可能產(chǎn)生了雙電層。產(chǎn)生雙電層的原因是由于薄膜和基體兩種材料的費(fèi)米能級(jí)不同，因而在它們相互接觸以后，在它們之間要發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，在界面兩邊聚積起符號(hào)相反的電荷，異性電荷相互吸引，增強(qiáng)了薄膜對(duì)載體的吸附，由于載體不同，其費(fèi)米能級(jí)不同，所以薄膜對(duì)載體的附著性能也不同。銅片可能是由于在熱處理過程中表面被氧化，所涂覆的二氧化鈦隨著薄膜脫落掉了，因此其二氧化鈦薄膜負(fù)載對(duì)甲基磴的脫色率幾乎沒有影響。

3 結(jié)論

　?、俨煌?fù)載TiO2薄膜的光催化活性不同，鈦片的光催化活性最高，其次是陶瓷、不銹鋼、鋁片、銅片、釉面瓷磚和玻璃。
　?、诓煌?fù)載的TiO2薄膜，在不同的加熱工藝參數(shù)下，具有不同的催化活性，陶瓷、釉面瓷磚、不銹鋼、玻璃等負(fù)載的TiO2薄膜在580℃時(shí)光催化活性最好，鈦片在520℃時(shí)光催化活性最好，而鋁片在460℃時(shí)的光催化活性最好。

參考文獻(xiàn)：
　　[1] Hoffmann M R，Martin S T，ChoiWinyong，et al.Environmental　application of seroiconductor photocatalysis[J].Chemical Review，1995，95(1)：69—96.
　　[2] Ollis D F， Al-Ekabi H.Photocatalytic purification and treatment of water and air[C].Elsterdam，1993.

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作者簡介：趙翠華(1973—)，女，山東陽谷人，助理工程師，碩士，1996年畢業(yè)于現(xiàn)山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2001年進(jìn)入廣西大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院攻讀碩士學(xué)位，主要從事環(huán)境材料的研究。