摘要
N-doped anatase-rutile titanium dioxide(N-TiO2)is a classical semiconductor widely used in environmental remediation.Its photocatalytic performance is typically affected by its morphology,porous structure,and phase composition.Herein,disk-like mesoporous N-TiO2 was prepared by calcining MIL-125(Ti)and melamine matrix at different temperatures in air.The photocatalytic efficiency of the prepared mesoporous N-TiO2 for the photo-oxidation of gaseous benzene under visible-light irradiation was studied.With respect to light absorption and mass transfer,as-prepared N-TiO2 annealed at 500℃(MM-500)showed the best photocatalytic activity with corresponding photodegradation and mineralization efficiencies of 99.1%and 72.0%,respectively.In addition.MM-500 exhibited excellent reusability and stability in cyclic experiments,in which 84.8%of gaseous benzene could still be photodegraded after 10 experimental cycles.Furthermore,electron spin resonance analysis indicated that·OH and·O2-radicals were the dominating reactive oxygen species during the photo-oxidation process.Their excellent performance suggests that the as-prepared N-TiO2 photocatalysts can be used to eliminate volatile organic compounds.
挥发性有机污染物(VOCs)对人或动物的危害较大,具有致癌、致畸和致突变性.气固相光催化法已经成为一种具有广阔应用前景的VOCs治理技术.传统半导体光催化剂TiO2带隙较宽(Eg=3.2 eV),太阳光利用效率低.特别是对光催化降解VOCs而言,反应过程中产生的含碳类中间产物易在TiO2表面积累,致使其失活.因此,如何拓宽TiO2的光谱响应范围,提高光量子效率及其在VOCs氧化过程中的循环利用性一直是研究重点.由于O和N具有类似的化学结构和电子特征,对TiO2进行N掺杂(N-TiO2)是实现TiO2可见光催化的有效途径.TiO2前驱体和氮源的种类对N-TiO2的带隙、N掺杂位点、N掺杂量、形貌和孔径影响较大.金属-有机骨架(MOFs)具有结构多样且可调、多孔性、比表面积大等优点,是制备特定形貌和结构的光催化材料的理想自牺牲模板.同时,有机配体易于在高温煅烧过程中从MOFs骨架中释放,其衍生物往往会继承MOFs的多孔性特征,有利于光催化反应中间体的传输与释放.本文采用MIL-125(Ti)作为前驱体,三聚氰胺作为氮源,通过在空气氛围下高温煅烧(温度分别为500,600和700℃)的方法制备了一系列具有可见光光催化活性的圆盘状介孔锐钛矿-金红石混合晶型的N-TiO2(分别标记为MM-500,MM-600和MM-700).采用粉末X射线衍射(PXRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)和BET比表面积分析等对MM-500,MM-600和MM-700的形貌、组成及结构进行厂表征.选取气态苯作为目标VOCs污染物探究了MM-500的光催化性能.结果表明,随着煅烧温度的提高,N掺杂含量减少,所制备的光催化剂可见光吸收减弱,锐钛矿相所占比例降低,N-TiO2晶粒尺寸增大,样品比表面积随之减少.由于MM-500优异的可见光吸收能力和传质能力,其对气态苯表现出优异的光催化降解性能.可见光照射480 min后,MM-500对气态苯的去除效率高达99.1%,矿化率达到72.0%,均优于商业化二氧化钛(P-25).循环实验表明MM-500具有较好的稳定性和重复利用性,10次光催化实验后,其对苯的去除效率仍达到84.8%.同时,电子顺磁共振(ESR)证明超氧自由基(·O2-)与羟基自由基(·OH)是苯光催化氧化过程中的主要活性氧物种.综上,本文以MIL-125(Ti)为前驱体所制备的N-TiO2能高效光催化去除气态苯污染物.
基金
国家自然科学基金(21876008,51578034,51878023)
北京市属高等学校长城学者培养计划(CIT&TCD20180323)
北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划(IDHT20170508)
北京建筑大学市属高校基本科研业务费专项资金资助(X18075,X18076,X18124,X18125,X18276)
北京建筑大学科研基金(KYJJ2017033、KYJJ2017008).
