system: [SYSTEM]

user: 3. 结果与讨论 3.1. TiO 2 的结构表征 采用固相硫酸法，从钛铁矿中提取了TiO 2 材料，其结构表征结果如图2所示。从图中可以看出，样品XRD谱图在2θ为25.5˚有个较强烈的衍射峰，这是锐钛矿TiO 2 (JCPDS No.:084-1286) (101)晶面的衍射峰，其中还包括38.6˚、48.0˚、54.5˚、55.1˚、62.8˚均为锐钛矿(112)、(200)、(211)、(204)的特征峰。从SEM图中可见，所制备的TiO 2 形貌为微球状(直径约为0.5 μm)，且大小均一，具有较好的分散性。从紫外可见吸收光谱图中可见，所制备的TiO 2 的禁带宽度Eg为3.16 eV，这是典型的锐钛矿TiO 2 的禁带宽度 [ 13 ] 。综上所述，所制备TiO 2 样品为纯的锐钛矿TiO 2 。 3.2. Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料结构表征 图3为TiO 2 和Fe 3 O 4 /TiO 2 -160复合材料(Fe/Ti摩尔比为1:3)的IR图，其中TiO 2 在3403 cm −1 处的吸 图2. TiO 2 的结构表征。(a) (b) SEM图；(c) XRD图；(d) 紫外可见吸收光谱 图3. TiO 2 及Fe 3 O 4 /TiO 2 -160复合物的红外谱图 收峰和复合材料在3448 cm −1 处的吸收峰对应于Fe 3 O 4 粒子表面羟基的伸缩振动峰；1631 cm −1 、1634 cm −1 处为H-O-H的弯曲振动吸收峰这归因于Fe 3 O 4 /TiO 2 磁性复合材料表面吸收的水分子；TiO 2 和Fe 3 O 4 /TiO 2 -160复合材料1384 cm −1 处为Ti-O-Fe桥氧结构的Fe-O振动吸收峰，由此可见复合催化剂中Fe 3+ 部分取代了Ti-O-Ti网络中的Ti 4+ 离子，形成了Ti-O-Fe桥氧结构 [ 14 ] ；TiO 2 在561 cm −1 处的吸收峰是TiO 2 晶体和表面Ti-O键伸缩振动所致 [ 15 ] ；Fe 3 O 4 /TiO 2 -160复合材料在518 cm −1 处为Fe 3 O 4 中Fe-O振动的吸收峰。 图4为Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的XRD图。从图中可知，XRD衍射峰呈现三套特征峰，分别为锐钛矿TiO 2 (JCPDS No.:084-1286)，金红石TiO 2 (JCPDS No.:087-0710)和Fe 3 O 4 (JCPDS No.:075-0449)。由图可知，相比200℃获得的Fe 3 O 4 /TiO 2 -200样品，160℃获得的Fe 3 O 4 /TiO 2 -160样品呈现出更加明显的锐钛矿特征峰，表明Fe 3 O 4 /TiO 2 -160样品中的锐钛矿TiO 2 含量高于Fe 3 O 4 /TiO 2 -200样品。事实上，Fe 3 O 4 /TiO 2 -200样品呈现出明显的金红石TiO 2 特征峰，故其样品含有更多的金红石TiO 2 。 图5为Fe 3 O 4 /TiO 2 -160和Fe 3 O 4 /TiO 2 -200复合材料的SEM图。当水热反应温度为160℃时，TiO 2 的 图4. Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的XRD图。(a) Fe 3 O 4 /TiO 2 -160; (b) Fe 3 O 4 /TiO 2 -200 图5. Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的SEM图 (a) Fe 3 O 4 /TiO 2 -160；(b) Fe 3 O 4 /TiO 2 -200 形貌为花瓣片状(尺寸约为200 nm)，Fe 3 O 4 为颗粒状。水热温度为200℃时，TiO 2 表现为梭形片状晶体(尺寸约为200 nm)，颗粒状Fe 3 O 4 分散在TiO 2 梭形片状晶体表面。 材料的比表面积对光催化反应的性能有着重要的影响，图6是Ti/Fe=3:1、反应温度为160℃、200℃的复合材料的氮气吸附-脱吸附曲线和孔径分布曲线。由图6可知，反应温度为160℃和200℃的Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的BET比表面积分别为196.637 m 2 /g、67.829 m 2 /g。数据表明，反应温度为160℃的Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料比表面积较大，而较大的比表面积不仅可以提供有机物降解反应的活性位点，也可以有效地促进电子空穴对的分离。因此，当Ti/Fe = 3:1时，反应温度160℃制备的复合材料光催化性能高于200℃制备的复合材料。 Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的织构性能，如表1所示。 由图6(b)可知，水热合成温度为160℃和200℃复合材料的平均孔径分别为51.56 Å(属于介孔)、163.02 Å(属于大孔)。结合SEM的表征结果可知，大孔为片状晶体堆积的缝隙。图6(a)表明水热合成温度为160℃复合材料的氮气相对压力P/P 0 在 0.6~1.0之间出现明显的滞后现象，而在200℃下合成的复合材料的滞后现象不明显，说明了大量孔隙结构的存在于水热合成温度为160℃的复合材料，从而证明了此温度下合成的复合材料的光催化效果更好。 3.3. 光催化性能 图7(a)为不同水热合成温度制备的Fe 3 O 4 /TiO 2 复合光催化剂在太阳光下降解罗丹明B。图7(b)为不同水热合成温度制备的Fe 3 O 4 /TiO 2 复合光催化剂在紫外光下降解罗丹明B的动力学图。再结合相应的光催化动力学方程，复合材料的水热合成温度会对罗丹明B的降解产生影响。由表观速率常数k可以看出，无论是紫外光照射，还是太阳光照射下，水热合成温度为160℃的复合材料的k值均大于水热合成温度为200℃的复合材料，因此水热合成温度为160℃的复合材料的光催化降解效果优于水热合成温度为200℃的复合材料，表现出较高的催化活性。 图8为Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料在紫外光催化下降解罗丹明B的紫外扫描全谱图。由图可知，罗丹明B 图6. Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的氮气吸–附脱吸附曲线(a)和孔径分布图(b)。样品为：Fe 3 O 4 /TiO 2 -160和Fe 3 O 4 /TiO 2 -200 图7. Fe 3 O 4 /TiO 2 -160和Fe 3 O 4 /TiO 2 -200复合材料的太阳光(a)和紫外光(b)催化的动力学图 Table 1 Textural properties of Fe3O4/TiO2 composites 样品 S BET /(m 2 /g) 平均孔径/Å 比空容/(cm 3 /g) Fe 3 O 4 /TiO 2 -160 196.63 163.02 0.55 Fe 3 O 4 /TiO 2 -200 67.83 51.56 0.51 表1. Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料的织构性能 图8. Fe 3 O 4 /TiO 2 -160紫外光催化降解罗丹明B溶液的紫外可见吸收光谱图 图9. Fe 3 O 4 /TiO 2 -160紫外光条件下的催化剂回收利用(a)和磁性效果图(b) 在551 nm处有紫外最大吸收。且随着时间的推移，罗丹明B的吸光度随之下降，根据吸光度与浓度之间存在线性关系，也就表明罗丹明B的浓度随光照时间的延长而逐渐降低。故Fe 3 O 4 /TiO 2 复合材料对罗丹明B有光催化降解的作用。 3.4. 磁性光催化剂回收利用 图9表明，该材料经过四次反复使用仍有较好的光催化降解效果。复合材料经磁铁吸附沉降，倾析分离后回收率较高，具有易于回收、可重复使用的特点。但在催化剂回收使用第四次后，回收率明显下降，固此催化剂最多可回收套用三次。