3-73  CdS改性TiO₂光催化剂的制备及结构

周秀文  朱祖良  赵君科

在半导体光催化剂中，TiO₂具有光催化活性高、无毒和抗光腐蚀性好等优点，但纯TiO₂光催化剂直接利用太阳光进行光催化氧化的效率较低，而利用贵金属元素和稀土元素等在TiO₂中进行掺杂改性时，改性光催化反应必须在高压汞灯或紫外灯下进行，不符合节能原则。

针对以上TiO₂光催化存在的问题对TiO₂进行了窄禁带半导体的复合，形成复合型半导体，以改变其光谱响应范围。TiO₂的禁带宽度为3.2 eV，当用波长小于或等于387 nm的光照射时，其价带上的电子才能受激发至导带。CdS是一种禁带宽度为2.5 eV的较窄禁带半导体，波长小于或等于495 nm可见光就可将其价带电子激发至导带。将CdS引入宽禁带TiO₂半导体形成复合光催化剂，由于两种半导体的导带、价带和禁带宽度不一致而发生交迭，从而提高光催化剂的电荷分离率，扩展TiO₂的光谱响应。

实验中采用溶胶-凝胶法制备得到CdS纳米颗粒复合TiO₂，以分析纯钛酸四丁脂[Ti(OC₄Ｈ₉)₄ 简称TBOT]为TiO₂的前驱物，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CdS /TiO₂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CdS/TiO₂光催化剂粉体。

实验中，对干凝胶样品进行差示量热分析(DSC)，测量样品在加热过程中的热效应。采用日本理学D-MAX/ⅢB型全自动X-ray衍射分析仪分析(Cu靶，40 kV/30 mA)分析不同温度下样品的物相，用X射线衍射峰的半高宽计算粉末的晶粒度，扫描电镜(SEM)观察粉末的形貌，用甲基橙降解实验考察其光催化性能。

实验结果表明：(1)采用溶胶-凝胶法制备均匀CdS/TiO₂凝胶的较好工艺条件为：T=20℃，n[H₂O]/ n[TBOT]=4:1，n[HAC]/n[TBOT]=1:1，V[EtOH]/V[TBOT]=2:1；(2)XRD和DSC分析表明，420 ℃时CdS /TiO₂光催化剂中的TiO₂开始由非晶态转变为锐钛矿结构，670℃时开始转变为金红石结构；当CdS的掺入量大于6%(mol)时，在670 ℃/3 h出现CdTiO₃新物相；(3)CdS的掺入有效的抑制了CdS/TiO₂光催化剂晶粒的长大和比表面积的下降；CdS/TiO₂粉末的颗粒度分布不均匀；(4)CdS/TiO₂光催化剂对甲基橙的降解实验表明：当n(CdS) :n(TiO₂)=0%~3.5%)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。