摘要：采用溶胶_凝胶工艺在不同载体表面制备了均匀透明的TiO2薄膜。甲基橙水溶液的光催化降解实验表明：不同负载的TiO2薄膜具有不同的光催化活性，钛片的光催化活性最高，然后是陶瓷、不锈钢、铝片、釉面瓷砖、玻璃，铜片最低；而且其光催化活性还与负载的加热温度有关，加热温度为520℃时钛片的光催化活性最高，580℃时陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢和玻璃的催化活性最高，而460℃时铝片的光催化活性最高。
关键词：污水处理 光催化 二氧化钛 载体
以二氧化钛等半导体为催化剂的光催化技术是近20年来环境研究的热点之一[1]，许多研究[2]，表明它可以较好地降解水和空气中的很多污染物，包括有机物和无机物。但是由于传统的粉末光催化剂存在着二次分离和回收等问题，许多研究者把目光转向了固化二氧化钛体系，即把二氧化钛光催化剂固定在一种载体上，制备成一种薄膜。
本文采用溶胶_凝胶法在不同的载体(钛片、玻璃、铝片、陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢、铜片)表面制备二氧化钛薄膜，来考察不同载体对负载TiO2薄膜光催化活性的影响，而且对不同载体的加热工艺进行了研究。
1 实验方法
1.1 二氧化钛薄膜的制备
以钛酸四正丁酯为原料，以三乙醇胺为抑制剂来制备溶胶。具体配制方法如下：取17.0mL钛酸正四丁酯和4.8mL三乙醇胺溶解到67.3 mL无水乙醇中，搅拌2h，然后再加入10mL无水乙醇和1 mL蒸馏水，再搅拌30 min，即得到淡黄色的透明溶胶。
把钛片、铝片、不锈钢、玻璃、釉面瓷砖和陶瓷切割成10mm x 10mm的方形，相继用酸、碱和酒精清洗后凉干。把这6种清洗凉干后的载体分别浸渍在溶胶中，提拉速度为200mm／min，取出后放到100℃的马弗炉中保温30min，然后分别以每分钟5 ℃的速率升温到一定的温度(400℃，460℃，520℃，580℃，640℃，700℃等)，在此温度下再保温1h，即得到不同加热工艺下不同负载的二氧化钛薄膜。
1.2 分析方法
采用甲基橙作为光催化降解物。甲基橙在0～20 mg／L范围内其质量浓度和吸光度成正比，可以用紫外分光光度法在450nm处，测定光解前后甲基橙的吸光度，然后计算甲基橙的脱色率。
1.3 实验过程
光催化实验在自制的循环式光催化处理仪进行。如图1所示。
取300mL质量浓度为6.7 mg／L的甲基橙溶液到反应器，容器的上部放置经过热处理的含有二氧化钛薄膜的不同载体，容器中含有2个小型电动机，使被处理水循环流过载TiO2的片体。水样中插入一个充气的细管，以便充人一定量的空气。300W的紫外灯在距离载体10cm处。每光照20min取一次样，以便分析甲基橙脱色率的变化。
2 结果和分析
关于光催化负载加热工艺对光催化活性的影响，以前也有人研究过，但是所得的结论不很统一，针对这种情况，本文又对不同负载加热工艺对光催化活性的影响进行了研究。图2为光照20min时，TiO2薄膜对甲基橙脱色率的影响。
从图2可以看出，在580℃时，陶瓷、玻璃、釉面瓷砖、不锈钢等二氧化钛负载的光催化活性最好，在460 ℃时，铝片负载的光催化活性最好，而520℃时钛片的光催化活性最好。TiO2晶体的结构以及TiO2粒子的大小与其光催化效率有关。随着加热温度的提高，TiO2会从无定型向锐钛矿型进而向金红石型转变，而且随着温度的升高，粒径逐渐减小。研究表明TiO2光催化剂起光催化作用的是锐钛矿型结构，温度过低，TiO2呈无定型结构，过高呈金红石型，无定型结构和金红石结构都不利于光催化反应；另一方面，温度过低，TiO2的粒径大，也不利于光催化反应，因此TiO2薄膜的加热温度有一个最佳值。另外TiO2薄膜的加热温度还与载体的类型有关，这是由于TiO2薄膜与载体之间的相互作用所致。
图3是光照40 min时铝片、不锈钢、钛片、陶瓷、釉面瓷砖、玻璃和铜片为载体时二氧化钛薄 膜对甲基橙脱色率的影响。其中钛片是在520℃时所得的二氧化钛薄膜负载，而铝片的热处理温度是460℃，不锈钢、釉面瓷砖、陶瓷、玻璃和铜片的热处理温度都是580℃。
从图3看出，甲基橙脱色率最高的是钛片，其次是陶瓷、不锈钢、铝片、釉面瓷砖、玻璃，最差的是铜片。导致这种差别的原因可能有两个：
①载体表面的吸附。由于陶瓷表面比较粗糙，比表面积大，因此陶瓷和TiO2薄膜之间的物理吸附能较大。其它的几种载体表面比较光滑，所以其物理吸附能较小。另外，TiO2薄膜和载体之间可能发生了化学反应，这种反应有利于电子和空穴的分离并增加了对反应物的吸附，提高了TiO2的光催化活性，由于载体不同，所以形成的化学键不同，其光催化活性也不同。
②TiO2薄膜与载体之间通过相互扩散形成了一个渐变界面，载体不同，他们的界面也不同，因而其附着性能不同。另外，在TiO2薄膜与载体之间形成的界面处还可能产生了双电层。产生双电层的原因是由于薄膜和基体两种材料的费米能级不同，因而在它们相互接触以后，在它们之间要发生电子转移，在界面两边聚积起符号相反的电荷，异性电荷相互吸引，增强了薄膜对载体的吸附，由于载体不同，其费米能级不同，所以薄膜对载体的附着性能也不同。铜片可能是由于在热处理过程中表面被氧化，所涂覆的二氧化钛随着薄膜脱落掉了，因此其二氧化钛薄膜负载对甲基磴的脱色率几乎没有影响。
3 结论
①不同负载TiO2薄膜的光催化活性不同，钛片的光催化活性最高，其次是陶瓷、不锈钢、铝片、铜片、釉面瓷砖和玻璃。
②不同负载的TiO2薄膜，在不同的加热工艺参数下，具有不同的催化活性，陶瓷、釉面瓷砖、不锈钢、玻璃等负载的TiO2薄膜在580℃时光催化活性最好，钛片在520℃时光催化活性最好，而铝片在460℃时的光催化活性最好。
参考文献：
[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.