3-72  TiO₂/CdS复合半导体光催化剂降解甲基橙实验

周秀文  朱祖良  赵君科

半导体光催化技术利用太阳能在室温下将有机污染物氧化成H₂O，CO₂或无机离子等，无二次污染，具有传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的优势。目前，存在3个关键的技术难题制约着TiO₂光催化剂大规模的工业应用：(1) 量子效率低；(2) 太阳能利用率低；(3) 保持高活性并将其均匀负载比较困难。因此，研究者在TiO₂改性方面做了大量的研究工作。

在制备TiO₂/CdS复合半导体光催化剂实验中，采用Sol-Gel法。将适量的CdS纳米颗粒加入到46 mL的钛酸四丁脂和一定量的乙醇（所需总量的2/3体积）的混合溶液中，再向其中加入水解抑制剂冰醋酸后超声波处理10 min。在磁力搅拌的作用下向其中缓慢滴加40 mL水和乙醇溶液，充分搅拌直至得到TiO₂/CdS复合凝胶。室温下放置1 d，110 ℃烘干后在玛瑙研钵研碎，再在不同温度下进行热处理，得到TiO₂/CdS光催化剂粉体。采用日本理学D-MAX/ⅢB型全自动X射线衍射分析仪分析（Cu靶，40 kV/30 mA）。

将制备的TiO₂/CdS复合半导体光催化剂用于结构复杂、生物降解性低、潜在毒性大、应用广泛并且其降解产物具有致癌性作用的偶氮染料甲基橙为模拟物，进行降解脱色效率和降解反应动力学研究。采用如图1所示的光催化反应器进行光催化降解甲基橙实验。在磁力搅拌的作用下，使催化剂与甲基橙溶液充分混合。反应液体积130 mL，液面高度约2 cm，间隔0.5 h取样1次，离心分离取上层清液进行分析。采用751型分光光度计测试实验前后反应液的吸光度，然后计算脱色率。在实验所选用的浓度范围内，甲基橙溶液的吸光度与浓度成正比，故在降解过程中用吸光度代替浓度。

研究结论如下：(1)TiO₂/CdS光催化剂对甲基橙的降解实验表明：当n(CdS):n(TiO₂)=0%~3%时，其光催化活性比TiO₂的催化活性高；当n(CdS):n(TiO₂)<0.5%时，其光催化活性随CdS掺入量的增加而增加；当n(CdS):n(TiO₂)>0.5%时，其光催化活性随CdS掺入量的增加而下降；当n(CdS):n(TiO₂)=0.5%时，其光催化活性约为TiO₂的2倍。(2)不同催化剂投加量对甲基橙的降解实验表明：在本实验条件下，TiO₂/CdS光催化剂投加量为2 g/L时，光催化降解效果最佳。(3)对光催化降解甲基橙的动力学初步研究表明：甲基橙光催化降解反应符合Y = A+B₁X+B₂X²的反应动力学模型。