微波助离子液体中氮掺杂TiO2催化剂的制备及其微波强化光催化活性

化活性

摘 要：在室温离子液体介质中，采用溶胶-凝胶法以及微波干燥的方法制备了氮掺杂的光催化剂tio2-n。在室温条件下，以甲基橙为模拟污染物，在微波超声波组合催化合成仪中，分别利用微波辐射（mw）、紫外光照（uv）和微波辐射-紫外光照（mw-uv）三种降解方式，主要考察了n掺杂量、微波干燥功率、微波干燥时间、煅烧温度和煅烧时间等因素对tio2-n光催化活性的影响。结果表明，在离子液体用量为5.6 ml、n掺杂量n(n)/n(ti)=3：1、微波干燥功率210 w、微波干燥时间20 min、煅烧温度600 ℃、煅烧时间2 h的条件下所制得的tio2-n光催化剂具有较高的光催化活性；tio2-n光催化剂在三种降解方式下对甲基橙的降解效果为：mw-uv>uv>mw，这表明微波与紫外光照有较好的协同作用，即微波-紫外光照具有强化tio2-n催化剂降解甲基橙的效果。

关键词：催化化学 微波 离子液体 氮掺杂二氧化钛 光催化降解preparation of n-doped tio2 photo-catalyst under microwave irradiation in ionic liquid and microwave strengthen photo-catalytic oxidation activitysun jing jiang wenjian he feng bi xianjun*(institute of chemistry and chemical engineering, yunnan normal university, kunming 650500, yunnan, china)

abstract: n-doped nano-tio2 photo-catalysts were prepared by microwave drying method in ionic liquid 1-butyl-3 methylimidazolium hexafluorophosphate. at a constant temperature (25 ℃) , using respectively the three conditions of mw, uv, mw-uv the effects of the study focused on the influences of n/ti mole ratio, microwave drying power and drying time, calcination temperature and calcination time for degradation of methyl orange were investigated in the combination of catalytic synthesis of microwave ultrasonic instrument. the results indicated that the best preparing condition of tio2-n catalyst was as follows: ionic liquid dosage 5.6 ml, n(n)/n(ti)=3：1, microwave power 210 w, microwave drying time 20 min, calcination temperature 600 ℃ and calcination time 2 h. and more the tio2-n catalyst with the best preparing condition exhibited higher

photo-catalytic activity. the degradation rate of methyl orange under three conditions were 21.2%, 95.2%, 98.7%, and degradation effect of methyl orange under three conditions: mw-uv>uv>mw. description mw had a very good synergy with uv, microwave had the effect of strengthening n-doped nano-tio2 degradation of methyl orange.

key words：catalytic chemistry microwave ionic liquid

nitrogen doping titanium dioxide

近几十年来，人类的生活随着科技的发展而得到了很大的改善，随之也带来了诸多环境问题。二氧化钛是一种半导体氧化物，由于其具有良好的化学稳定性、较低的生产成本、生产和使用安全等优点，而被广泛应用于废水处理中。但由于二氧化钛禁带宽度较宽，因而只能吸收波长小于387 nm的紫外光，其对可见光的吸收受到限制。而在太阳光谱范围内，紫外光所占比例小于5%[1]，而可见光能达到45%以上[2]。因此，目前最具有挑战的研究课题是使二氧化钛的禁带宽度变窄而使吸收光谱向可见光区扩展，并能抑制光生电子和空穴的复合。非金属元素掺杂二氧化钛，能够取代其部分氧原子，可使半导体价带升高，其禁带宽度变窄，使其吸收带发生红移，从而进入可见光区[3,4]。非金属掺杂改性纳米tio2的可见光响应机理，普遍认为是阴离子掺杂在tio2中引入氧空位，或部分氧空位被阴离子取代。由于o的2p轨道和阴离子中能级与其能量接近的p轨道杂化后，使其禁带窄化，从而扩宽辐射光的响应范围。硫元素在tio2掺杂的研究中引起了研究学者的极大的兴趣。ohno等[5]首次制得了tio2-s，且对亚甲基蓝溶液进行了可见光光催化降解实验，其在可见光下的光催化效果明显高于未掺杂tio2。分析其原因，是由于s的3p轨道影响了tio2价带与导带的形成，使得带隙能变窄，加强了可见光的吸收。在提高二氧化钛对可见光响应的研究中，n掺杂被认为是最有效的方法之一[6,7]。氮取代少量的晶格氧可以使二氧化钛的带隙变窄，并在不降低紫外光活性的同时

实现可见光光催化响应。2001年，asahi[8]等制成了兼有锐钛矿和金红石晶型的氮掺杂二氧化钛粉体，其在可见光下具有较高的光催化活性和超亲水性。

微波化学是利用现在微波技术研究来研究微波场作用下的化学和物理行为的科学。微波技术可加剧分子运动，提高分子平均能量，降低反应的活化能。因此，在化学领域应用微波技术主要是用来提高化学反应速率，有些甚至能改变反应机理，开发新的反应渠道。对一部分反应物实际性的、产物是非极性的或弱极性的可逆反应来说，微波介电加热还能提高反应的收率。微波辐射不但能活化催化剂提高有机反应的选择性，还能作用于反应物，降低反应活化能，加剧反应物分子运动，加快反应速度。因此，利用微波场与紫外光的耦合来提高光催化过程的量子效率，研究其对光催化反应性能的影响，深入了解微波-光催化耦合机理，促进光催化氧化技术的发展具有相当重要的现实意义。引入外加场可提高二氧化钛的催化活性，起到了1+1>2的耦合协同作用。