甲基橙水溶液可见光催化性能研究

1 引言

二氧化钛作为一种光催化材料已被广泛研究，目前已成为应用前景较广的光催化材料之

一.然而，因二氧化钛自身本禁带宽度较大，只能被紫外光激发，不能充分利用太阳光，这

一特性大大缩小了 TiO2 的应用范围.为了缩小 TiO2 的禁带宽度，提高其对可见光的响应，

也有研究者对此进行了较多的研究，主要是通过 TiO2 体系掺杂或表面改性等有效手段将

TiO2 的光谱范围扩宽.自从 2001 年，Asahi 等首次报道了氮掺杂可以使 TiO2 的带隙变窄，

且不降低自身的紫外光活性，从此掀起了 N、S、C、卤素等多种非金属元素掺杂 TiO2 的研

究热潮.非金属元素掺杂主要通过取代 TiO2 晶格中的 O 或 Ti 原子，使 TiO2 带隙变窄，增加

可见光的吸收.目前，已报道的非金属掺杂研究较多，掺杂后产品中引入新能级，新能级与

TiO2 能级形成复合能级结构，捕获光生空穴，提高光生电子-空穴的分离效率乃至光催化活

性.而掺杂后产品的光催化活性增强效果不同，如刘少友等(2011)采用简单易行的固相反应

法合成了硫、铝单掺杂及硫铝共掺杂 TiO2 光催化纳米材料，在可见光辐射下，S-Al-TiO2

纳米材料对溴甲酚绿的可见光降解速率均比 S、Al 单掺杂材料要大.最近大量研究发现，过

渡金属/非金属元素共掺杂、金属/非金属共掺杂比单一非金属元素掺杂更能使 TiO2 活性增

强.共掺杂中金属/非金属主要通过在 TiO2 禁带中引入新的能级，一是因为非金属 N、S 掺杂

可在导带以下部位引入电子供体能级，减小禁带宽度，增加可见光吸收;二是由于金属掺杂

后新引入的能级作为电子捕获剂，延长 e--h+光致电荷分离存在的时间，进而增强光催化活

性.

为了探讨共掺杂 TiO2 对染料的光催化性能，本文以尿素、硫脲分别作为 N、S 源，氯化

锡作为 Sn 源，制备活性较强的金属-非金属共掺杂体系，并采用 XRD、SEM、XPS 等对产品进

行表征.最后，以甲基橙水溶液为模拟污染物，研究共掺杂体系的可见光催化性能.

2 实验

2.1 催化剂制备

将 20 mL 钛酸丁酯与无水乙醇配成体积比为 1:1 的混合液，将占总溶液质量百分比 5%

的尿素加入该混合液中，得溶液 A;称取 3.5 g 硫脲，充分溶解于无水乙醇与水的混合液中，

得溶液 B;将溶液 B 缓慢滴加到溶液 A 中，搅拌 30 min.将混合液转移至水热釜中，控制水热

反应温度为 180 ℃，反应 4 h，离心、洗涤、干燥后煅烧 3 h，得到 N/S-TiO2 产品.

在上述水热反应前的溶液中缓慢加入定量的氯化锡醇水溶液，搅拌 30 min.控制水热反

应温度为 180 ℃，反应 4 h，离心、洗涤、干燥后煅烧 3 h，得到 N/S/SnO2-TiO2 产品.

2.2 光催化性能实验