关于TiO2_α-Fe2O3复合光催化剂的制备及表征分析苏中华

关于TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂的制备及表征分析苏中华
发布时间：2023-06-17T10:11:17.127Z 来源：《工程建设标准化》2023年7期作者：苏中华[导读] TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂制备具有一定的难度
深圳市西宝船舶电子有限公司 518028
摘要：TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂制备具有一定的难度，需要结合表征情况进行分析，确定制备过程的最佳条件，提高催化剂的催化性能。

基于此，本文先对TiO2/α-Fe2O3的制备方法进行分析，得到催化剂制备的整体流程，保证催化剂制备的控制效果；再从晶相转变、红外光谱、颗粒形貌等方面分析催化剂的表征情况，对催化剂煅烧温度、吸收峰、Fe/Ti摩尔比等活性影响因素进行分析，明确表征情况对催化剂活性的影响，对催化剂的制备条件进行完善。

关键词：TiO2/α-Fe2O3；催化剂；制备方法；表征分析
引言：TiO2/α-Fe2O3光催化剂对制备方法具有较高要求，需要采用严格化的表征分析方式，使催化剂能够得到科学研制，保证催化剂能够得到合理制备。

催化剂制备以活性情况为依据，表征分析是确保活性的关键，需要做好表征分析技术的应用，将SEM、XRD等技术得到催化剂表征情况，对表征情况进行控制与操作，保证催化剂表征分析能够顺利进行。

1 TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂制备方法
TiO2/α-Fe2O3制备流程较为复杂，需要对原料进行合理使用，做好用量及参数的把控，合成具有制定功效的催化剂成分。

TiO2/α-Fe2O3制备流程如下：第一，搅拌：将4g十二烷基硫酸钠、5mL正丁醇、30mL正庚烷置于容器中，再加入一定摩尔比（Fe/Ti）的硝酸铁和硫酸钛溶液，将混合液进行均匀搅拌，使反应物能够充分混合。

第二，调节pH。

制备过程需要在弱酸性情况下进行，混合物溶液为强酸性，采用氨水溶液进行pH调节，将pH调制为6。

第三，水热合成。

将调制好的混合液进行超声波分散，时间不能低于20min，在160℃温度下进行水热合成，生成产物TiO2/α-Fe2O3。

第四，提取产物。

将产物进行洗涤、过滤、灼烧、冷却，最终得到干燥状态的TiO2/α-Fe2O3。

TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂具有活性要求，制备结束后需要对活性进行评定，确保催化效果能够发挥作用。

光催化剂活性分析在透明玻璃容器中进行，将0.1g光催化剂与50mL浓度为50mg/L的甲基橙溶液混合，采用紫外光源进行照射，保证催化剂能够充分吸收光源。

根据甲基橙降解率情况可对光催化剂活性进行判断，计算公式表示如下：
η＝（K0-Kt）/ K0
式中，η为甲基橙降解率；K0为反应前吸光度；Kt为反应后吸光度[1]。

2 TiO2/α-Fe2O3复合光催化剂表征分析
2.1晶相转变
TiO2/α-Fe2O3在不同温度煅烧状态下，存在着晶相转变的情况，需要对不同温度下晶相表征进行分析，掌握温度对晶相情况的影响。

晶相分析需要用到XRD图谱，按照Fe/Ti摩尔比为1：3的情况下制备光催化剂，分别对煅烧温度为300℃、400℃、500℃、600℃下的TiO2/α-Fe2O3的XRD图谱进行分析。

不同煅烧温度下TiO2/α-Fe2O3的XRD图谱如图1所示，图中：A为锐钛矿相TiO2，R为金红石相TiO2，F为α-Fe2O3相。

当温度为300℃时，主要特征峰为TiO2锐钛矿相特征峰，位于25.4°处；当温度为400℃时，特征峰情况变得更加明显，不仅25.4°处特征峰凸显，而且48.4°、54.1°处也出现了锐钛矿相特征峰趋势；当温度为500℃时，25.4°处锐钛矿相特征峰到达最大，36.4°、48.4°、54.1°、64.3°出现锐钛矿相特征峰，同时金红石相和α-Fe2O3也相继出现，特征峰幅度明显增加；当温度为600℃时，TiO2锐钛矿相特征峰不再尖锐，金红石相和α-Fe2O3显著增多，存在着锐钛矿相向金红石相和α-Fe2O3相转化的情况。

TiO2和α-Fe2O3材料本身需要确保特征峰情况良好，需要避免杂质峰的出现，否则将会影响到样品的结晶效果，导致催化剂表征性质不够稳定。

杂质峰不利于维持催化剂的稳定性，一旦XRD图谱中出现杂质峰，则需要引起足够的重视，根据晶相转化情况进行调节，降低杂质峰出现的几率，提高对杂质峰的抑制作用，掌握煅烧温度的控制情况。

催化剂XRD图谱分析过程中，需要避免衍射峰的情况出现，确保催化剂具有良好的晶面结构，保证催化剂能够得到合理使用。

特征峰分析是反映晶体性质的关键，在不同煅烧温度下，需要注重晶体性质变化，对晶体特征峰进行动态分析，防止特征峰变化造成实质性影响，使晶体的特征峰能够保持在一定的范围[2]。

图 1 不同煅烧温度下TiO2/α-Fe2O3的XRD图谱
2.2红外光谱
TiO2/α-Fe2O3在不同波长吸收峰情况具有差异性，可在红外光谱条件下进行分析，提高特征吸收峰判断的有效性，对不同化学键吸收峰情况进行解析，进而确定吸收峰的主要特征。

在红外光谱的作用下，化学键将会吸收一定的能量，造成吸收峰出现振动的情况，可通过吸收峰的观察对化学键进行判断，对晶相的稳定情况进行分析，构建完善的晶相控制条件，对吸收峰指标情况进行验证，发挥出红外光谱的表征分析作用。

红外光谱分析需要在相同反应条件下进行，在温度为500℃情况下进行煅烧，在晶相稳定时进行检验，保证红外光谱具有良好的观测效果。

红外光谱反映了吸收峰随波数的变化情况，不同波数下，通过吸收峰的分析可得到如下结果：波数为3651cm-1和1598cm-1时，O-H吸收峰存在振动情况，引起了峰宽的增加，提高了吸收峰对催化剂表征的影响；波数为3004cm-1时，C-H峰存在振动，理论上不应出现该峰，说明试样中存在有机物残留的情况，洗涤工作处理不到位；波数为1213cm-1时，α-FeOOH吸收峰存在振动，随着波数的逐渐降低，α-FeOOH吸收峰将会减少，在波数达到981cm-1时，α-Fe2O3吸收峰出现，说明α-FeOOH吸收峰向α-Fe2O3吸收峰转化，化学键发生断裂重组的情况。

图 2 TiO2/α-Fe2O3在不同波数下红外光谱情况
α-Fe2O3具有改善催化剂性能的作用，纯TiO2吸收峰波长小于400nm，将TiO2和α-Fe2O3结合后，可促使吸收峰方向的偏移，将吸收峰范围扩展到400-500nm之间，提高催化剂表征吸收峰的范围。

TiO2/α-Fe2O3属于一种复合催化剂，利用电子与空穴的复合特性，Fe3+对电子具有较强的吸附能力，对TiO2催化效果具有改善作用。

当α-Fe2O3含量为0.2%，复合光催化剂吸收峰波长延伸到500nm左右，催化剂对波长的吸收特性将得到巩固。

空穴电子会引起复合位点的增加，对光催化剂的表征进行改性，不同Fe/Ti摩尔比情况下催化效果将产生一定的差异性，需要根据催化效果对摩尔比进行调整，在TiO2中复合特定的离子，对催化剂复合位点进行扩展，保障光催化特性得到进一步增强。

2.3颗粒形貌
TiO2/α-Fe2O3光催化剂需要对颗粒形貌进行分析，得到颗粒排布的微观特征，对颗粒的微观指标进行判断。

颗粒形貌分析采用SEM照片，对Fe/Ti摩尔比分别为1：3、1：1、3：1的情况下确定颗粒排布，发挥出颗粒排布分析的优势，保证颗粒分析结果能够充分展现。

当Fe/Ti摩尔比为1：3时，催化剂为疏松多孔结构，颗粒具有良好的分散性，而且颗粒本身较小，有助于保证催化剂与反应物的接触面积；当Fe/Ti摩尔比为1：1时，颗粒呈现均匀分布的状态，颗粒较大且少量聚集，催化效果将会受到一定的抑制作用；当Fe/Ti摩尔比为3：1时，颗粒存在不均匀的情况，并且聚集情况较为明显，催化效果的抑制情况较为严重。

随着Fe/Ti摩尔比的增加，催化剂颗粒形貌的不均匀性将会增强，由多孔状态向不均匀状态进行转化，颗粒形貌特征将变得难以控制，并且伴随着聚集的情况。

通过上述分析发现，颗粒形貌分析具有一定的规律性，排布良好且呈现松散结构的催化剂催化效果较好。

图 3 不同Fe/Ti摩尔比下TiO2/α-Fe2O3的颗粒形貌
光催化剂若要发挥出良好效果，则应保证与反应物接触面积充足，基于这一情况，在Fe/Ti摩尔比为1：3时，能够保证颗粒与催化剂的接触，让颗粒形貌能够满足催化要求。

颗粒形貌分析采用高分辨率SEM照片，需要针对晶体形貌进行分析，对颗粒的负载情况进行判断，确保颗粒的粒径能够基本一致。

TiO2/α-Fe2O3光催化剂中，负载形式为α-Fe2O3表面负载TiO2颗粒，这种负载形式将保证颗粒间紧密接触，颗粒尺寸大小将显得更加均匀，粒径主要集中在15nm左右，使颗粒分布形式具有可靠性。

均匀负载是保证颗粒均匀分布的关键，需要采用
均衡负载控制方式，维持颗粒形貌结构的稳定性，通过颗粒排布体现出催化剂的活性，根据XRD分析结果进行检验，对颗粒形貌特征进行综合判断，消除颗粒形貌的不利影响[3]。

2.4孔径分布
TiO2/α-Fe2O3光催化剂对孔径具有一定的要求，孔径是形成多孔结构的关键，对孔径表征进行分析具有必要性。

孔径分析在不同Fe/Ti 摩尔比情况下进行，明确孔径分布的具体参数，发挥出催化剂孔径分析的作用。

催化剂孔径采用氮气吸附法得出，调节不同试验压力测出氮气的吸附量，通过递推法计算不同区间的孔半径，将孔径假象为圆柱状。

孔径分布基于BJH原理，采用标准化的孔径分布分析方式，确定孔径范围及分布状态。

孔径≤2nm为微孔，孔径在 2-50nm范围为中孔，孔径≥50nm为大孔。

如果是微孔，孔填充是一个连续的过程；而如果是介孔，孔填充则是气体在孔内产生凝聚的过程。

孔径分布分析结果如下：当Fe/Ti摩尔比为1：3时，孔径范围为5.56-6.23nm，总孔体积为0.115mL/g；当Fe/Ti摩尔比为1：1时，孔径范围为4.14-5.01nm，总孔体积为0.045mL/g；当Fe/Ti摩尔比为3：1时，孔径范围为3.08-3.95nm，总孔体积为0.040mL/g。

由此可见，孔径分布介于2-50nm之间，主要对中控分布情况进行分析，孔径范围上不会发生较大的变化。

在Fe/Ti摩尔比为1：3时，孔径范围和总孔体积均处于最大状态，催化剂与反应物的接触面积得到明显提高，使催化剂能够形成多孔结构，使产物可以在孔径中迅速扩散，提高对反应物的催化效率，保证孔径分布控制的合理性。

表 1 TiO2/α-Fe2O3光催化剂孔径分布情况
Fe/Ti 摩尔比
孔径
范围
（nm）
总孔
体积
（mL/g）
1：3
5.56-
6.23
0.115
1：1
4.14-
5.01nm
0.045
3：1
3.08-
3.95nm
0.040
2.5比表面积
通过TiO2/α-Fe2O3光催化剂比表面积分析，可确定单位质量的面积分布情况，使催化剂能够更好地发挥出催化效果。

比表面积计算公式如下：
Sw＝S/m
式中，Sw为比表面积（m2/g）；S为表面积（m2）；m为质量（g）。

比表面积采用SSA-6000比表面积分析仪检测，对不同Fe/Ti摩尔比情况下进行分析，快速得到催化剂比表面积情况，提高比表面积的分析效率。

具体分析结果如下：当Fe/Ti摩尔比为1：3时，比表面积为59.12m2/g；当Fe/Ti摩尔比为1：1时，比表面积为13.44m2/g；当Fe/Ti摩尔比为3：1时，比表面积为8.12m2/g。

随着Fe/Ti摩尔比的逐渐增加，比表面积将会逐渐减小，单位质量的催化剂在性能上将会被削弱。

在Fe/Ti摩尔比为1：3时，对应的比表面积最大，可实现反应物接触面积的最大化，将催化效率控制在较高水平[4]。

比表面积与孔径属于包含关系，孔径的增加将会导致比表面积的增加，在分析催化剂比表面积时需要考虑孔径分布情况，将两者结合起来确定催化剂的表征。

随着Fe/Ti摩尔比的增加，总孔体积将会随之变小，对应比表面积中的S将会减小，在单位质量不变的情况下，比表面积Sw将会随之而减小。

由此可见，孔径分布对比表面积具有一定的决定作用，总孔体积较大的情况下催化剂更具有优势，可以有效提高比表面积的范围，使催化剂与反应物能够充分接触。

值的注意的是，当Fe/Ti摩尔比为1：3时，总孔体积、比表面积均达到最大，两者均为属于递增情况，使得比表面积更易于进行控制，使Fe/Ti摩尔比具有良好的配比条件，实现良好的比表面积配置效果。

2.6甲基橙降解率
不同煅烧温度下TiO2/α-Fe2O3光催化剂活性具有较大差异，可通过甲基橙降解情况进行分析，结合甲基橙降解率情况来判断，采用适宜的温度对催化剂煅烧。

当Fe/Ti摩尔比为1：3时，降解率范围为69%-96%，变化趋势为先增后减，初值70%，末值为69%；当Fe/Ti摩尔比为1：1时，降解率范围为10%-82%；变化趋势为先增后减，初值为50%，末值为10%；当Fe/Ti摩尔比为3：1时，降解率范围为18%-42%，变化趋势为缓慢下降，初值为42%，末值为18%。

甲基橙降解率分析温度范围为300-800℃，300℃和800℃分别对应初值和末值，对不同Fe/Ti摩尔比情况下降解率随温度变化情况进行分析，通过最大降解率得到最佳煅烧温度。

甲基橙降解率分析过程中，需要明确初值、末值、最值情况，对降解率的分布和走势进行判断，对变化情况进行清晰掌控，保证降解率分析方法的有效性。

当Fe/Ti摩尔比为1：3时，最佳煅烧温度为500℃；当Fe/Ti摩尔比为1：1时，最佳煅烧温度为500℃；当Fe/Ti摩尔比为3：1时，最佳煅烧温度为400℃。

由此可见，当煅烧温度为500℃时，催化剂具有良好的降解率情况，使催化剂的表征活性达到最高状态。

图 4 不同煅烧温度下TiO2/α-Fe2O3降解曲线
结论：综上所述，TiO2/α-Fe2O3光催化剂活性控制具有必要性，需要保证催化剂具有良好的表征条件，通过表征分析确定制备参数，保证催化剂能够发挥作用。

在温度为500℃、Fe/Ti摩尔比为1：3时，光催化剂呈现为疏松多孔、颗粒细小的状态，同时降解效率达到最高状态，比表面积达到最大，催化剂与反应物能够充分接触，保障催化剂具有显著的催化效果。

参考文献：
[1]李满园，张欣芳，牛永安，等.三维片层花状α-Fe2O3@TiO2核壳粒子的制备及其光催化降解性能[J].化学与粘合，2022，44（01）：6-8+29.
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