（王轲翻译）

Preparation of N-Doped Nano-TiO2 Loaded on Activated

Carbon Fiber and Its Photocatalytic Activity

氮掺杂纳米二氧化钛负载活化制备

碳纤维及其光催化活性

沈Guodong1郭,Xiaoling1,王Xiangdong2,冯Yaming1崔,Zhen1,戴Jie1

1西安理工大学、西安710048年中国2 .北京交通大学附属学院，北京交通大学附属学院

摘要:采用溶胶-凝胶吸附法制备了负载于活性炭纤维复合材料(N-TiO2/ACF)上的n -掺杂纳米tio2。采用x射线衍射(XRD)、扫描电镜对复合材料的结构和形貌进行了表征

电子显微镜(SEM)和紫外可见(UV-Vis)漫反射光谱。的光催化活性

通过测定真丝染色废水的降解情况，对复合材料进行了评价。结果表明，n掺杂

复合材料的纳米tio2颗粒为锐钛矿相，n掺杂纳米TiO2的晶粒尺寸约为15.3 nm，当

煅烧温度为773 K。复合材料中的颗粒均匀分布在ACF表面。的

n掺杂纳米tio2的吸收带边缘呈现明显的红移，达到569 nm。金属卤化物灯照射下，200ml

真丝染色废水(5 mg/L)经2.31 g N-TiO2/ACF处理180 min后，COD去除率为80.6%。

Key words: N-doped nano-TiO2; ACF; sol-gel method; visible light photocatalysis

关键词:n掺杂纳米tio2;ACF;溶胶-凝胶法;可见光的光催化

半导体光催化技术在环境友好技术和绿色能源技术中的应用越来越受到人们的关注。TiO2因其在气相和液相降解各种环境污染物方面的潜在应用，被认为是最重要的半导体光催化剂之一[1-3]。它具有良好的光催化活性、高化学稳定性、低毒性、低成本、环保等优良性能。然而,二氧化钛是只与紫外线辐射(< 375海里)由于其较大的带隙,显然和纳米二氧化钛粒子很容易结块和难以分离的解决方案后退化,这就极大地限制了二氧化钛催化剂的实际应用(4、5)。为了解决上述问题，人们对掺杂金属和非金属的TiO2进行了大量的改性研究，将TiO2的吸收带边缘扩展到可见区域。特别是氮掺杂表现出明显的吸收带边缘红移，可以增强材料的可见光光催化活性[6,7]。此外，将纳米tio2负载到其他表面积较大的材料上，形成纳米复合材料，如二氧化硅[8]、氧化铝[9]、颗粒活性炭[10]、活性炭纤维(ACF)等[11,12]。在上述材料中，ACF是一种高微孔炭材料，比颗粒活性炭具有更大的孔隙体积和更均匀的微孔尺寸分布，被认为具有更大的吸附容量和更大的吸附解吸速率。本文以四丁基钛酸盐为Ti源，尿素为N源，ACF为基材，采用溶胶-凝胶法制备载于活性炭纤维复合材料(N- tio2 /ACF)上的N-掺杂纳米tio2。采用x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对复合材料的微观结构和形貌进行了表征。通过测定真丝染色废水的降解情况，评价了该复合材料的光催化活性。

1实验

所有化学品均为分析级，未经进一步净化使用。原ACF毡采用粘胶原丝生产，BET表面积1250~1300 m2/g，总孔隙体积0.8~1.2 cm3/g(南通永通环保科技有限公司，江苏)。用去离子水和无水乙醇处理，373 K干燥，在干燥剂中冷却。采用溶胶-凝胶吸附法制备了n掺杂纳米tio2 /ACF复合材料。将溶解于280 mL绝对乙醇的去离子水约10 mL滴加到10 mL钛酸四丁基中，加入适量尿素溶解于20 mL绝对乙醇中，用硝酸调节pH至3.0~4.0。将得到的胶体悬浮体搅拌60min后形成n掺杂的纳米tio2溶胶，浸渍后将几片干燥的ACF毡浸入n掺杂的纳米tio2液体溶胶中浸泡1h，在373 K干燥后将n掺杂的纳米tio2溶胶/ACF转化为n掺杂的纳米tio2gel /ACF。在氮气气氛中，437k ~ 923k煅烧得到复合材料。采用了几种技术对样品进行表征。为了确定催化剂的晶相组成和微晶大小在不同的温度下煅烧,x射线衍射测量在室温下进行了使用一个预先与CuKα辐射x射线衍射仪和一个2θ扫描速率2º最低为1(日本岛津公司- 6000)。采用扫描电镜(JEOL, JSM-6700F)对原ACF和复合材料试样的微观结构进行了表征。用分光光度计(日立有限公司，U-3310)测定了光催化剂的紫外可见(UV-Vis)漫反射光谱。以BaSO4为参比样品，光谱记录范围为200~800 nm。采用室温光催化降解真丝染色废水的方法，测定了其光催化活性。真丝染色废水初始浓度为5 mg/L。反应瓶是一个200毫升的圆柱形容器，带有水冷石英外壳。在石英夹套的中心，采用不同的光源(300w金属卤化物灯、300w汞灯、300w氙灯)照射。反应器底部装有磁性搅拌器，以实现有效的分散。定期取出5 mL真丝染色废水，离心分离法分离，637 nm分光光度计(Unico, UV-2800)测定真丝染色废水的残留吸光度。用相对吸光度的变化来记录真丝染色废水在溶液中浓度的变化。真丝印染废水的降解率可以计算(A0 - A) / A0×100% (A0指最初的吸光度的真丝绸染色废水,一个被称为纯)的吸光度。利用COD分析仪(Hach Lange, DR-2800)，采用重铬酸盐法测定真丝染色废水的化学需氧量(COD)。为了确认循环使用n型纳米二氧化钛/ ACF复合材料及其稳定处理污水,使用复合材料已经用去离子水和干在373 K 2 h。干复合材料在673 K治疗2 h在N2atmosphere循环使用。对真丝染色废水在不同光照条件下进行了三次循环光催化降解试验。

2结果与讨论

2.1 XRD分析

图1为不同煅烧温度下制备的n掺杂纳米tio2 /ACF的XRD图谱。如图1所示，当煅烧温度低于923k时，所有n掺杂的纳米tio2均具有相同的锐钛矿化酶相。在923k的煅烧温度下可以发现少量金红石相。随着煅烧温度的升高，光催化剂的衍射峰更加明显，表明该酶型结构的结晶度有所提高。发现的煅烧温度773 K是一些适当的在这工作,因为准备的光催化剂在773 K有稳定的锐钛矿相,微晶尺寸小(15.3 nm),据估计从x光峰宽使用谢勒方程(如表1所示)。

2.2扫描电镜分析

图2为ACF毡与n掺杂纳米tio2 /ACF复合材料的SEM图像。图2a和图2b为原始ACF的表面形貌。研究发现，一些较长的ACF原纤维表面光滑(如图2b所示)。图2c和图2d为加载后试样的表面形貌。可以看出，载于ACF表面的n掺杂纳米tio2粒子的平均粒径大多在10~ 20nm左右，且n掺杂纳米tio2粒子均匀分散在ACF表面(如图2d所示)。同时还发现纳米孔较多，约为2~5个

平均纳米尺寸，在ACF表面。这说明在制备复合[14]过程中，ACF表面的微观结构没有受到损伤。

3结论

1)采用溶胶-凝胶吸附法制备了n掺杂纳米tio2复合材料，当煅烧温度为773 K时为锐钛矿相，晶粒尺寸约为15.3 nm。

2)大多数n掺杂纳米tio2颗粒大小在10~ 20nm左右，负载在ACF表面均匀。制备复合材料时，ACF表面的纳米孔结构没有受到损伤。

3) n掺杂纳米TiO2的吸收带边缘从410 nm到569 nm有明显的红移，且其吸收强度高于纯纳米TiO2，这是由于n掺杂使得TiO2的能隙更小。

4) n掺杂纳米tio2 /ACF复合材料在金属卤化物灯照射下具有较高的光催化活性。复合材料的加药质量为2.31 g/200mL时，COD去除率为80.6%。该复合材料具有良好的稳定性和耐久性。