PDF《大豆蛋白改性 Ti O》

文章编号:

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1 1 收稿日期:

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修回日期:

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1 0 .

基金项目:福建省教育厅科技类项目( J B

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6 ) ;

福建师范大学闽南科技学院青年骨干教师培养基金项目( m k q

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0 7 )( P r o j e c t s u p p o r t e db y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y p r o j e c t o f F u j i a nP r o v i n c e E d u c a t i o nD e p a r t m e n t o f C h i n a ( G r a n t N o . J B

1 2

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6 )a n dy o u n g b a c k b o n e t e a c h e r t r a i n i n g f u n dp r o j e c t o f M i n n a nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI n s t i t u t eF u j i a nN o r m a l U n i v e r s i t y o f C h i n a ( G r a n t N o .m k q

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1 0

0 7 ) ) . 作者简介:谢艳招(

1 9

8 0 - ) , 女, 硕士, 副教授, 主要从事纳米功能材料合成与应用研究. E m a i l : y a n z h a o x i e @s i n a . c o m ( X I EY a n z h a o ,B o r ni n

1 9

8 0 ,f e m a l e ,m a s t e r ,a s s o c i a t ep r o f e s s o r ,m a i n l y e n g a g e di nt h e s y n t h e s i s a n da p p l i c a t i o no f n a n o f u n c t i o n a l m a t e r i a l s ) . 大豆蛋白改性 T i O

2 的制备及其可见光催化性能 谢艳招1 ,王鑫1 ,刘顺琴2 ,郭丽城1 ,赵林1 (

1 .福建师范大学 闽南科技学院,福建 泉州

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2 ;

2 .厦门大学 嘉庚学院,福建 漳州

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0 5 ) 摘要:采用溶胶 凝胶法制备了系列大豆蛋白改性 T i O

2 复合催化剂.通过元素分析、粒度分析、X射线衍射 ( X R D ) 、场发射扫描电镜( F E S E M) 、紫外 可见漫反射光谱( U V V i s ) 、电化学等方法对所制备的样品进行了表征, 以亚甲基蓝为目标降解物,研究了大豆蛋白改性 T i O

2 的可见光催化性能.结果表明,大豆蛋白改性可以一步实现 C 、N 、H多种非金属元素共掺杂;

相比纯 T i O

2 ,改性后复合催化剂的比表面积增大;

所有样品均为锐钛矿相;

煅 烧温度为

4 0 0℃ 时,复合催化剂的可见光吸收发生明显红移,其禁带宽度较纯 T i O

2 窄化了

0 .

3 2e V ;

大豆蛋白改 性后,复合材料的光电流密度增大;

在可见光照射下,光催化反应 2h时,大豆蛋白改性 T i O

2 的亚甲基蓝降解效 率最高可达

7 9 .

4 %. 关键词: 大豆蛋白;

二氧化钛;

共掺杂;

光催化;

可见光吸收 中图分类号:O

6 1

3 ;

O

6 4

6 文献标志码:A 半导体光催化氧化技术是一种消除污染的理想 先进技术.T i O 2稳定、无毒、无二次污染, 光催化活 性高,被认为是最有前景的光催化剂[

1 -

3 ] . 但TiO2的禁带宽度为

3 . 2e V ,仅能吸收太阳光中

3 % ~

5 % 的紫外光,太阳光利用率及光量子效率低,光 生载流子复合率高[

4 -

5 ] .对TiO2进行非金属或过渡 金属元素掺杂,可调整其能带间隙和表面态,拓展 其光响应范围,从而提高光催化活性[

6 ] .近年来, 非金属元素掺杂改性 T i O

2 成为众多学者的研究热 点.实验中发现掺杂 C 、N 、F等元素可使 T i O

2 光 吸收带红移,且对紫外光吸收强度影响较小,从而 提高催化活性[

7 -

9 ] .其中,N掺杂引起的 N2 p与O2p轨道杂化可导致带隙窄化,被认为是拓宽 T i O

2 光响应范围最有效的非金属掺杂元素[

1 0 ] ;

C掺杂能 够在 T i O 2价带上方引进新的电子态,从而减小半 导体带隙,使得材料产生可见光吸收,另外,C掺 杂还可能给 T i O

2 带来敏化作用,从而引起可见光 吸收[

1 1 ] .近年来,众多研究发现非金属多元素共掺 体系中不同杂质会对 T i O

2 产生协同作用,能在单 掺杂 T i O 2体系的基础上进一步提高 T i O

2 的可见光 吸收能力,增强其光催化活性[

1 2 ] . 如Chen等[

1 1 ] 用 溶胶 凝胶法合成了 C N共掺杂 T i O

2 ,发现 N掺杂 能减小 T i O 2的带隙,C掺杂能起到敏化 T i O

2 的作 用,两者的协同作用使得共掺杂体系的可见光催化 活性优于单掺杂体系.因此,非金属多元素共掺体 系的研究具有重要意义,有望成为提高 T i O

2 太阳 光利用率及光量子产率的关键技术,但此方法多需 额外添加有毒或有刺激性的化学试剂,对人体健康 和环境均可带来不利影响,且共掺杂体系的很多制 备方法反应温度高、工艺繁琐且成本较高[

1 3 ] ,这些 不足在一定程度上限制了该改性手段的实际应用. 生物质掺杂纳米复合材料,是当前纳米材料及 生物材料研究的新方向,相比化学材料,生物质材 料改性手段可大幅度提高功能材料的活性,且工艺 简单,原材料廉价易得,因而颇具发展前途,但将 生物质材料与纳米 T i O

2 进行复合改性从而制备新 型光催化剂的研究只处于起步阶段.蛋白类物质由 氨基酸组成,C 、N 、H3种非金属元素含量丰富, 以废弃蛋白类资源为改性 T i O

2 的非金属元素源, 不仅可以变废为宝,且在高温煅烧过程中,由于生 物质分子易发生氧化分解从而释放出多种非金属元 素,有望同步实现 C 、N共掺杂 T i O

2 体系,我们就 第30卷 第 4期 分子催化Vol.30,No.42016年 8月JOURNALO FM O L E C U L A RC A T A L Y S I S ( C H I N A ) A u g .

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1 6 丝素蛋白改性 T i O

2 体系展开的实验研究及程修文 等开展的以胱氨酸为掺杂元素源进行的 T i O

2 改性 研究工作均可提供有力依据[

1 4 -

1 5 ] .大豆蛋白是指 将豆粕除去大豆油和水溶性非蛋白成分以后得到的 多种蛋白质的混合物,其氨基酸组成主要有甘氨 酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和色氨酸等,富含 C 、N 、H等非金属元素[

1 6 ] ,且大豆蛋白来源广泛, 价格低廉,在生产豆奶、豆浆、大豆蛋白粉等豆制 品深加工过程中,常常产生大量含有大豆蛋白的废 液,如不经处理,直接排放,既污染环境又浪费资 源.为了寻找更加优良的生物质掺杂 T i O 2体系,进 一步研究其结构与催化活性之间的关系,我们以大 豆蛋白作为生物质原材料,通过溶胶 凝胶法制备 了系列复合催化剂,研究了其光催化活性及其可能 的可见光响应机理. 1实验部分

1 . 1试剂与仪器 大豆蛋白( 生物试剂,上海华蓝化学) ;

无水乙 醇( 分析纯,天津市福晨化学试剂厂) ;

钛酸四丁脂 ( 分析纯,天津市福晨化学试剂厂) ;

硝酸( 分析纯, 广东汕头市西陇化工厂) ;

亚甲基蓝( 生物染色剂, 天津市福晨化学试剂厂) ;

无水硫酸钠( 分析纯,天 津市福晨化学试剂厂) ;

氯化钠( 分析纯,天津市福 晨化学试剂厂) . 电子 天平(EL104,杭 州汇尔仪器) ;

抽滤机(SHBIII,郑州长城科工贸有限公司) ;

电热鼓风干 燥箱( 1........