Page 85 - 《精细化工》2020年第6期

第 6 期 崔天伊，等: S、Yb 共掺杂 TiO 2 的制备及光催化性能 ·1151·

图 8d 是 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 样品对亚甲基蓝的循环
降解图。从图 8d 可以看出，光催化剂循环 4 次后，
降解效率仍达到 92.3%，表明光催化剂具有优异的
稳定性，具有较好实际应用前景。
2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 能带结构模型和可能的电
荷分离过程如图 9 所示。

图 8 不同样品对 MB 的降解及降解动力学曲线(a、b)；
不同捕获剂对降解率的影响(c)；2.0%S/1.5%Yb-
TiO 2 的循环降解图(d)
Fig.8 Degradation anddegradation kinetics of MB by
different samples (a, b), effect of different capture
agents on the degradation rate (c), and cyclic
degradation diagrams of 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 (d)

催化性能最佳。在 500 W 氙灯下对亚甲基蓝在
90 min 内的光催化降解效率达到 97.75%，远远高于
同等条件下纯 TiO 2 的降解效率（47.35%）。这是由

于 Yb、S 的适量共掺杂给 TiO 2 带入了杂质能级，降
低了禁带宽度，提高了比表面积，抑制了光生电子- 图 9 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 能带结构模型和可能的电荷分
离过程图
空穴对的复合几率，提高了电荷分离效率，达到了
Fig.9 Band structure model and possible charge separation
提高光催化效率的目的。当 S 和 Yb 掺杂过量时， process diagram of 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2
又可能会成为光生电子-空穴的复合中心，增加光生
电子-空穴的复合，从而降低了光催化剂的活性。图 由图 9 可见，通过 S、Yb 元素的协同作用，使
8b 为不同样品的降解动力学曲线，通过降解曲线对 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 光催化剂能带带隙变窄。由于光
反应速率常数 K〔ln(ρ/ρ 0 )=Kt〕进行了计算。结果 照射价带（VB）中的电子被激发到导带（CB）中，
表明，2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 的降解速率常数 K 为 产生光生电子（e ）和空穴（h ），增加光催化剂的
–
+
–1
–1
0.0309 min ，是纯 TiO 2 （K=0.00872 min ）的 3.5 氧化还原能力。光催化剂表面吸附的 H 2 O 和 h 形成
+
–1
倍，约为 2.0%S-TiO 2 （K=0.0125 min ）的 2.5 倍， 具有强氧化性的•OH，由此进一步增强光催化剂对
–1
约是 1.5%Yb-TiO 2 （K=0.01993 min ）的 1.5 倍。 染料的降解能力。该结果与光催化降解染料结果相
光降解反应是由于光诱导产生的光生电子-空
吻合。
穴对而引发的，光生电子与体系中的分子相互作用
–
并生成超氧自由基（•O 2 ）和羟基自由基（•OH）， 3 结论
+
作为活性物质与空穴（h ）共同参与降解反应。为
了进一步评估哪种活性物质在降解亚甲基蓝中起主 采用 XRD、BET、TEM、XPS、SEM-EDS、
要作用,采用叔丁醇（TBA）、对苯醌（BQ）和乙二 UV-Vis、PL 对水热法制备的 2.0%S/1.5%Yb-TiO 2 光
–
胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）分别作为•OH、•O 2 和 催化剂进行了表征。结果表明：S 和 Yb 的掺入未改
+
h 的清除剂。在该反应体系中，TBA、EDTA-2Na 变 TiO 2 晶体结构，掺杂降低了 TiO 2 的晶粒尺寸，提
和 BQ 的浓度分别为 5、5、0.5 mmol/L，结果如图 高了 TiO 2 的比表面积，缩小了 TiO 2 的禁带宽度，减
– 小了光生电子-空穴对的复合几率，使其吸收光范围
8c 所示。BQ 的添加对降解率影响较小，这表明•O 2
对亚甲基蓝的降解起着较小的作用。相反，在 TAB 延伸至可见光区域，提高了光的利用率，提升了光
和 EDTA-2Na 的存在下，亚甲基蓝光催化降解的速 催化效率。在 500 W 氙灯照射 90 min 时对亚甲基蓝
+
率明显降低，证明了•OH 和 h 的存在是光催化降解 （20 mg/L）的降解率达到 97.75%，远远高于同等
亚甲基蓝的重要因素。与 EDTA-2Na 相比，TBA 表 条件下纯 TiO 2 的降解效率（47.35%）。光催化机理
现出更高的阻碍作用，这表明•OH 是光催化降解过 实验表明，羟基自由基和空穴是光催化降解过程中
程中最主要的活性物质。 的主要活性物质。