C-Cl共掺杂TiO2/凹凸棒复合催化剂的制备及其可见光催化性能

doi:10.1016/S1872-2067(17)62774-8

催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (2): 379-388.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62774-8

C-Cl共掺杂TiO₂/凹凸棒复合催化剂的制备及其可见光催化性能

邓丽娟^a,b, 谢毅^a, 张高科^a,b

a 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 湖北武汉 430070;
b 武汉理工大学资源与环境工程学院, 湖北省矿物资源加工与环境重点实验室, 湖北武汉 430070

收稿日期:2016-10-21 修回日期:2016-12-23 出版日期:2017-02-18 发布日期:2017-03-14
通讯作者: Gaoke Zhang,Tel:+86-27-87651816;Fax:+86-27-87887445;E-mail:gkzhang@whut.edu.cn;Yi Xie,Tel:+86-27-87651816;Fax:+86-27-87887445;E-mail:xiey@whut.edu.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展计划（973计划，2007CB613302）；湖北省自然科学基金（2016CFA078）.

Synthesis of C-Cl-codoped titania/attapulgite composites with enhanced visible-light photocatalytic activity

Lijuan Deng^a,b, Yi Xie^a, Gaoke Zhang^a,b

a State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China;
b Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing, Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for High Efficient Utilization of Vanadium Resources, and School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei, China

Received:2016-10-21 Revised:2016-12-23 Online:2017-02-18 Published:2017-03-14
Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62774-8
Supported by:
This work was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, 2007CB613302) and the Natural Science Foundation of Hubei Province (2016CFA078).

摘要/Abstract

摘要：

TiO₂光催化剂具有无毒、物理化学性质稳定及光催化活性较高等优点，因而在能源及环境净化等领域备受关注.但是，TiO₂纳米颗粒作为催化剂仍存在以下不足：（1）TiO₂带隙较宽，只能吸收利用太阳光能的紫外光部分，而照射到地球表面的太阳光大部分为可见光；（2）光生载流子（电子/空穴）的复合使得光催化活性不高；（3）纳米催化剂的回收利用困难；（4）单独使用TiO₂，成本较高；（5）针对低浓度有机污染，常见TiO₂催化剂比表面积较小，吸附富集能力较差，导致光催化降解效率较低.TiO₂自身这些缺陷大大限制了其进一步的实际应用.
针对上述这些问题，我们在本研究中设计了一种简便易行的溶胶凝胶法，在较低的温度（70℃）下合成了非金属C-Cl共掺杂的TiO₂/凹凸棒（TiO₂/ATT）复合催化剂.XRD及HRTEM分析证明，通过调节反应溶液的pH可以分别合成含锐钛矿/金红石、锐钛矿/金红石/板钛矿的两相和三相的混合相TiO₂，且锐钛矿/金红石比例可以通过改变pH而进行调节.XPS分析证明，C和Cl同时成功掺进TiO₂/ATT复合催化剂.UV-Vis漫反射结果显示，非金属C和Cl的掺杂使得所合成复合催化剂的光吸收性能明显拓展到可见光区，因而可以充分利用可见光能进行有机污染物催化降解，而ATT作为TiO₂的载体，减少了TiO₂使用量，改善了TiO₂的表面特性和孔结构，且有利于光催化剂的回收利用.
以酸性红G为目标有机污染物，在可见光照射下对复合催化剂的可见光催化活性进行了测试.结果表明，当合成反应体系的pH值为3.0时，所获得的锐钛矿/金红石/板钛矿三相TiO₂/ATT复合催化剂具有良好的可见光吸收特性，其可见光催化活性远远高于市售P25型TiO₂，对难降解的酸性红溶液G具有优异的脱色效果和良好的TOC去除性能.循环光催化实验和FTIR表征结果表明，在5次循环利用后，TiO₂/ATT复合催化剂仍表现出很高的催化活性，表明其稳定性优异.荧光分析和自由基捕获实验表明，光催化降解反应中的主要活性物种是羟基自由基、空穴和超氧自由基.
TiO₂/ATT复合催化剂高效稳定的可见光催化性能主要归因于：（1）非金属C和Cl的共掺杂改善了其可见光吸收性能；（2）催化剂中的TiO₂由金红石、锐钛矿和板钛矿混合相组成，有利于抑制光生载流子的复合；（3）多孔结构的ATT作为载体提高了TiO₂的比表面积，增加了反应活性位，同时改善了孔结构，从而有利于模拟有机污染物（酸性红G）分子的吸附和降解，有利于反应产物扩散，从而提高了催化剂的可见光催化效率.

关键词: 锐钛矿, 金红石, 板钛矿, 凹凸棒, 碳-氯共掺杂二氧化钛, 可见光

Abstract:

We demonstrate the synthesis of C-Cl-codoped titania/attapulgite (TiO₂/ATT) composites containing a mixture of TiO₂ phases by a facile sol-gel method at 70℃ using titanium tetraisopropoxide as the TiO₂ precursor and ATT as a support for the TiO₂ nanoparticles. The photocatalytic activity of the C-Cl-codoped TiO₂/ATT composites with mixed anatase/brookite/rutile phases obtained at pH=3.0 was much higher than that of commercially available Degussa P25 for the photocatalytic degradation of acid red G under visible-light irradiation. The excellent photocatalytic activity of the developed composite originates from the nonmetal codoping, which extends the absorption edge of TiO₂ into visible region, and the presence of multiple phases, which slow the recombination of photoexcited electron/hole pairs. The formation of hydroxyl radicals during the photocatalytic degradation process was detected by photoluminescence probing using terephthalic acid. A mechanism for photocatalysis over the C-Cl-codoped TiO₂/ATT composites was proposed.

Key words: Anatase, Rutile, Brookite, Attapulgite, C-Cl-codoped titania, Visible light

邓丽娟, 谢毅, 张高科. C-Cl共掺杂TiO₂/凹凸棒复合催化剂的制备及其可见光催化性能[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 379-388.

Lijuan Deng, Yi Xie, Gaoke Zhang. Synthesis of C-Cl-codoped titania/attapulgite composites with enhanced visible-light photocatalytic activity[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 379-388.

×
扫码分享

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(17)62774-8

https://www.cjcatal.com/CN/Y2017/V38/I2/379

参考文献

[1] D. D. Tang, G. K. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2017, 391, 415-422.
[2] D. Lu, Z. Wan, G. K. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2015, 358, 223-230.
[3] Z. Wan, G. K. Zhang, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16737-16745.
[4] Q. L. Xu, J. G. Yu, J. Zhang, J. F. Zhang, G. Liu, Chem. Commun., 2015, 15, 7950-7953.
[5] X. Li, J. G. Yu, M. Jaroniec, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2603-36.
[6] H. J. Huang, D. Z. Li, Q. Lin, Y. Shao, W. Chen, Y. Hu, Y. B. Chen, X. Z. Fu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 14264-14269.
[7] W. J. Zhou, H. Liu, J. Y. Wang, D. Liu, G. J. Du, J. Cui, ACS Appl. Ma-ter. Interfaces, 2010, 2, 2385-2392.
[8] Y. Du, D. D. Tang, G. K. Zhang, X. Y. Wu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2219-2228.
[9] H. Xu, L. Z. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 1785-1790.
[10] S. Sakthivel, M. Janczarek, H. Kisch, J. Phys. Chem. B, 2004, 108, 19384-19387.
[11] H. G. Yu, H. Irie, Y. Shimodaira, Y. Hosogi, Y. Kuroda, M. Miyauchi, K. Hashimoto, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 16481-16487.
[12] W. H. Jing, W. G. Wang, X, W. H. Xing, Chin. J. Catal., 2009, 30, 426-432.
[13] I. C. Kang, Q. W. Zhang, S. Yin, T. Sato, F. Saito, Appl. Catal. B, 2008, 80, 81-87.
[14] F. Chen, W. W. Zou, W. W. Qu, J. L. Zhang, Catal. Commun., 2009, 10, 1510-1513.
[15] J. Liu, G. K. Zhang, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 8178-8192.
[16] W. J. Zhang, S. L. Zhu, Y. Li, F. H. Wang, H. B. He, Chin. J. Catal., 2007, 28, 269-273.
[17] Y. Ma, G. K. Zhang, Chem. Eng. J., 2016, 288, 70-78.
[18] T. C. An, J. X. Chen, G. Y. Li, X. J. Ding, G. Y. Sheng, J. M. Fu, B. X. Mai, K. E. O'Shea, Catal. Today, 2008, 139, 69-76.
[19] Y. S. Liu, P. Liu, Z. X. Su, F. S. Li, F. S. Wen, Appl. Surf. Sci., 2008, 255, 2020-2025.
[20] H. Z. Zhang, J. F. Banfield, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 6621-6629.
[21] G. K. Zhang, F. S. He, X. Zou, J. Gong, H. B. Tu, H. Zhang, Q. Zhang, Y. Liu, J. Alloys Compd., 2007, 427, 82-86.
[22] A. Pottier, C. Chanéac, E. Tronc, L. Mazerolles, J. P. Jolivet, J. Mater. Chem., 2001, 11, 1116-1121.
[23] A. D. Paola, M. Bellardita, R. Ceccato, L. Palmisano, F. Parrino, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 15166-15174.
[24] H. Q. Wang, Z. B. Wu, Y. Liu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 13317-13324.
[25] X. X. Wang, S. Meng, X. L. Zhang, H. T. Wang, W. Zhong, Q. G. Du, Chem. Phys. Lett., 2007, 444, 292-296.
[26] F. Dong, H. Wang, Z. B. Wu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 16717-16723.
[27] H. Xu, L. Z. Zhang, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 11534-11541.
[28] X. K. Wang, C. Wang, W. Q. Jiang, W. L. Guo, J. G. Wang, Chem. Eng. J., 2012, 189, 288-294.
[29] J. G. Yu, G. H. Wang, B. Cheng, M. H. Zhou, Appl. Catal. B, 2007, 69, 171-180.
[30] H. M. Luo, T. Takata, Y. G. Lee, J. F. Zhao, K. Domen, Y. S. Yan, Chem. Mater., 2004, 16, 846-849.
[31] Q. Xiao, J. Zhang, C. Xiao, Z. C. Si, X. K. Tan, Sol. Energy, 2008, 82, 706-713.
[32] S. J. Rigby, A. H. R. Al-Obaidi, S. K. Lee, D. McStay, P. K. J. Robertson, Appl. Surf. Sci., 2006, 252, 7948-7952.
[33] R. Z. Ma, K. Fukuda, T. Sasaki, M. Osada, Y. Bando, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 6210-6214.
[34] V. Belessi, D. Lambropoulou, I. Konstantinou, A. Katsoulidis, P. Pomonis, D. Petridis, T. Albanis, Appl. Catal. B., 2007, 73, 292-299.
[35] A. Nakahira, T. Kubo, Y. Yamasaki, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2, 1136-1140.
[36] J. G. Yu, L. F. Qi, M. Jaroniec, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 13118-13125.
[37] C. Nasr, K. Vinodgopal, L. Fisher, S. Hotchandani, A. K. Chatto-padhyay, P. V. Kamat, J. Phys. Chem., 1996, 100, 8436-8442.
[38] J. Jang, H. S. Lee, W. S. Lyoo, Fiber. Polym., 2007, 8, 19-24.
[39] J. Bandara, J. A. Mielczarski, J. Kiwi, Langmuir, 1999, 15, 7680-7687.
[40] N. Biswas, S. Umapathy, J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 2734-2745.
[41] D. C. Hurum, A. G. Agrios, K. A. Gray, T. Rajh, M. C. Thurnauer, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 4545-4549.
[42] G. Liu, C. H. Sun, L. Cheng, Y. G. Jin, H. F. Lu, L. Z. Wang, S. C. Smith, G. Q. Lu, H. M. Cheng, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 12317-12324.
[43] S. C. Yan, Z. S. Li, Z. G. Zou, Langmuir, 2010, 26, 3894-3901.
[44] G. Liu, L. Z. Wang, C. H. Sun, X. X. Yan, X. W. Wang, Z. G. Chen, S. C. Smith, H. M. Cheng, G. Q. Lu, Chem. Mater., 2009, 21, 1266-1274.
[45] L. M. Yang, L. E. Yu, M. B. Ray, Environ. Sci. Technol., 2009, 43, 460-465.
[46] J. Yang, C. C. Chen, H. W. Ji, W. H. Ma, J. C. Zhao, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 21900-21907.
[47] S. K. Choi, S. Kim, S. K. Lim, H. Park, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 16475-16480.
[48] D. J. Yang, H. W. Liu, Z. F. Zheng, Y. Yuan, J. C. Zhao, E. R. Waclawik, X. B. Ke, H. Y. Zhu, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 17885-17893.
[49] L. F. Yin, J. F. Niu, Z. Y. Shen, J. Chen, Environ. Sci. Technol., 2010, 44, 5581-5586.

C-Cl共掺杂TiO₂/凹凸棒复合催化剂的制备及其可见光催化性能

Synthesis of C-Cl-codoped titania/attapulgite composites with enhanced visible-light photocatalytic activity

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

扫码分享

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

[1]	肖汉至, 于博, 颜思顺, 章炜, 李茜茜, 鲍莹, 罗书平, 叶剑衡, 余达刚. 可见光催化二氧化碳参与非活化烯烃1,3-双羧基化反应[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 222-228.
[2]	顾幸威, 张有灿, 赵丰乾, 艾汉均, 吴小锋. 膦催化光促进的烷基碘和苯酚及1,4-二氧六环的以电子转移化合物为媒介的羰基化酯化反应[J]. 催化学报, 2023, 48(5): 214-223.
[3]	张富林, 李霞, 董晓芸, 郝慧敏, 郎贤军. 基于噻唑并噻唑的共价有机框架微球用于蓝光光催化胺的选择性需氧氧化[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2395-2404.
[4]	伯知豫, 颜思顺, 高田宇, 宋磊, 冉川昆, 何轶, 章炜, 曹光梅, 余达刚. 可见光催化二氧化碳参与多氟芳烃的选择性C-F键羧基化[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2388-2394.
[5]	宋邓萌, 许文华, 李珺, 赵佳乐, 史晴, 李斐, 孙旭镯, 王宁. “一体化”共价有机框架光催化二氧化碳还原研究[J]. 催化学报, 2022, 43(9): 2425-2433.
[6]	敬科, 魏明恺, 颜思顺, 廖黎丽, 牛亚楠, 罗书平, 于博, 余达刚. 可见光催化二氧化碳与苄位卤代物的羧基化: 温和条件且无过渡金属[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1667-1673.
[7]	赵振龙, 边辑, 赵丽娜, 吴红君, 徐帅, 孙磊, 李志君, 张紫晴, 井立强. 2D ZnMOF/BiVO₄ S型异质结的构建及其可见光催化还原CO₂性能[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1331-1340.
[8]	Muhammad Tayyab, 刘玉洁, 敏世雄, Rana Muhammad Irfan, 朱乔虹, 周亮, 雷菊英, 张金龙. 无贵金属光催化剂VC/CdS纳米线将苯甲醇选择性氧化为苯甲醛并产氢[J]. 催化学报, 2022, 43(4): 1165-1175.
[9]	马春华, 吉钰, 赵杰, 何兴, 张淑婷, 姜玉钦, 於兵. 光催化无过渡金属参与的烯烃的缩醛-吡啶化三组分反应[J]. 催化学报, 2022, 43(3): 571-583.
[10]	张少南, 曹石, 林玉妹, 沙利源, 陆成, 龚磊. 光催化甲苯衍生物、环烷烃与无机亚磺酸盐的位点选择性C(sp³)-H砜基化[J]. 催化学报, 2022, 43(3): 564-570.
[11]	王佳琦, 程浩, 魏丁琼, 李朝晖. 超声辅助制备Cs₂AgBiBr₆/Bi₂WO₆ S型异质结用于可见光光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2022, 43(10): 2606-2614.
[12]	葛飞跃, 黄树全, 颜佳, 景立权, 陈烽, 谢萌, 徐远国, 许晖, 李华明. 噻吩硫掺杂氮化碳促进n-π*电子跃迁增强光催化活性[J]. 催化学报, 2021, 42(3): 450-459.
[13]	刘会敏, 孟宪光, 杨维维, 赵桂霞, 贺德华, 叶金花. 原位还原的WO₃负载的第VIII族金属催化剂上光热协同甲烷二氧化碳重整[J]. 催化学报, 2021, 42(11): 1976-1982.
[14]	程蕾, 张岱南, 廖宇龙, 范佳杰, 向全军. 三维分等级花状Cd_0.8Zn_0.2S的结构调控及其光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2021, 42(1): 131-140.
[15]	丁钢, 王秦, 刘飞, 淡宜, 江龙. 可见光响应Fe³⁺-聚酰亚胺网络的合成及光诱导自由基聚合[J]. 催化学报, 2021, 42(1): 141-151.