催化学报

催化学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (5): 765-775.DOI: 10.1016/S1872-2067(19)63286-9

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碳-氮共改性中空二氧化钛光催化剂的同步合成及其高效的光催化行为和循环稳定性研究

肖颖冠a, 孙孝东a, 李霖昱b, 陈娟荣b, 赵仕东a, 蒋采国a, 杨露瑶a, 程黎a, 曹顺生a   

  1. a 江苏大学材料学院高分子研究院, 江苏镇江 212013;
    b 江苏大学环境与安全工程学院, 江苏镇江 212013
  • 收稿日期:2018-10-22 修回日期:2018-12-17 出版日期:2019-05-18 发布日期:2019-03-30
  • 通讯作者: 陈娟荣, 曹顺生
  • 基金资助:

    国家自然科学基金（21876069，21707054）；江苏省“六大人才”高峰计划（XCL-018）；中国博士后基金（2016M601744）.

Simultaneous formation of a C/N-TiO2 hollow photocatalyst with efficient photocatalytic performance and recyclability

Yingguan Xiaoa, Xiaodong Suna, linyu Lib, Juanrong Chenb, Shidong Zhaoa, Caiguo Jianga, Luyao Yanga, Li Chenga, Shunsheng Caoa   

  1. a Research School of Polymer Materials, School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China;
    b School of Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China
  • Received:2018-10-22 Revised:2018-12-17 Online:2019-05-18 Published:2019-03-30
  • Contact: S1872-2067(19)63286-9
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21876069, 21707054), the Six Talent Peaks Project in Jiangsu (XCL-018), and the China Postdoctoral Science Foundation (2016M601744).

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摘要：

抗生素的滥用导致了严重的水体污染，如何处理水体中难以降解的抗生素是目前环境领域中重要的研究课题之一.研究发现，二氧化钛具有优良的光催化性能，但由于其宽能带（~3.2 eV），导致其低抗生素的降解率.本文构建了一种新型的碳氮共改性中空二氧化钛光催化剂（C/N-TiO2），研究发现，所制备的C/N-TiO2不仅能提高二氧化钛的可见光吸收，而且还有效地降低了其禁带宽度，因此能大大地提高其对四环素的降解能力和降解速率.该新型的C/N-TiO2光催化剂主要利用阳离子聚苯乙烯作为创造二氧化钛中空结构的模板和碳源，在氨/氩混合气作用下煅烧，能同步制备出碳-氮共改性的中空二氧化钛光催化剂.TEM和SEM电镜图清晰显示出C/N-TiO2具有良好的中空结构.STEM Mapping测试证实碳和氮元素都均匀地分布在C/N-TiO2的中空微球上，实现了其良好的改性.N1s的XPS谱图显示出在N-TiO2和N-TiO2-x的特征峰的存在，证实了氮掺杂TiO2的成功合成.固体紫外也进一步证实了C/N-TiO2不仅具有强的紫外光吸收，还因碳和氮共改性呈现出强的可见光吸收.更重要的是，这种碳/氮共改性有效地降低了TiO2的禁带宽度（~2.83 eV）.
研究了C/N-TiO2光催化剂在可见光和模拟太阳光作用下，对四环素类的光催化降解行为，并与碳改性的中空二氧化钛（C/TiO2）的进行比较.结果表明，在可见光作用下，C/N-TiO2光催化剂在30 min内能降解大约86.3%四环素，高于C/TiO2对四环素（76.4%）.在可见光降解氯四环素时，C/N-TiO2也取得了比C/TiO2更高的降解率.我们进一步测试了两种催化剂在模拟太阳光作用下的催化性能差异.结果表明，C/TiO2对四环素降解率达到98.3%，而C/N-TiO2在30 min内几乎实现了四环素的完全降解（99.6%）.根据Langmuir-Hinshelwood计算出四环素的降解速率，发现C/N-TiO2对四环素的降解速度为0.1812 min-1，是同样条件下C/TiO2的1.4倍.结果表明，所研制的C/N-TiO2无论是在可见光还是在模拟太阳光作用下，都比C/TiO2展现出更高的四环素和氯四环素的降解率.以上结果清晰的表明碳氮共改性因其协同效应，比碳改性在提高TiO2的催化性能方面起着更重要的作用.
本文用质谱进一步研究了四环素光降解的中间体，并提出了其可能的降解路径.光催化循环实验证明，所制备的C/N-TiO2在循环四次后，其对四环素的降解率都没有发生明显的下降，说明C/N-TiO2具有良好的循环稳定性能，为其潜在的应用奠定了坚实的基础.

关键词: 同步合成, 碳氮共改性二氧化钛, 中空微球, 四环素, 光催化作用

Abstract:

Herein, we report a unique approach towards the preparation of C-modified and N-doped TiO2 hollow spheres (C/N-TiO2). TEM, SEM, and XPS analyses were used to confirm that the carbon and nitrogen co-decorated TiO2 photocatalyst was formed. Carbon-decoration improves the visible-light absorption and speeds up the separation of the photo-generated electron-hole pairs. C/N-TiO2 not only narrows the band gap of TiO2, but also exhibits excellent photocatalytic activity for the degradation of tetracycline and tetracycline hydrochloride. In addition, the C/N-TiO2 photocatalyst shows excellent recyclability for water decontamination, making it a promising candidate to purify aquatic contaminants.

Key words: Simultaneous synthesis, C/N-doped TiO2, Hollow sphere, Tetracycline, Photocatalysis