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第14卷第5期 过 程 工 程 学 报 Vol.14 No.5 2014 年 10 月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2014 收稿日期：2014−07−14，修回日期：2014−08−08 基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：41301644) 作者简介：张浩(1982−)，男，江苏省南京市人，博士研究生，讲师，从事室内空气的检测与净化技术研究，Tel: 18755512282，E-mail: fengxu19821018@163.com. 基于光催化降解甲醛溶液性能的 Cu-Ce/TiO 2 制备方案的响应面法优化 张 浩， 刘 影， 刘秀玉， 黄新杰， 杜晓燕， 唐 刚 (安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243032) 摘 要：采用溶胶−凝胶法，以过渡金属 Cu 离子和稀土金属 Ce 离子改性 TiO 2 制备 Cu−Ce/TiO 2 ，基于响应面和数值模拟方法研究 Cu−Ce 负载量(Cu−Ce 含量)、Cu/Ce 摩尔比及烧结温度对 Cu−Ce/TiO 2 光催化降解甲醛溶液性能的影响，对Cu−Ce/TiO 2 制备方案进行优化，并对最佳条件下制备的Cu−Ce/TiO 2 进行表征. 结果表明，三个因素均对Cu−Ce/TiO 2的光催化性能有影响，其影响显著性为：烧结温度>Cu−Ce 负载量>Cu/Ce 摩尔比. 优化的制备条件为：Cu−Ce 负载量2.88%(mol), Cu/Ce 摩尔比 1.6364，烧结温度 544 . Cu ℃ −Ce 共同改性 TiO 2 能有效避免掺杂 TiO 2 晶格内部表层和近表层产生较多的位错，抑制晶格畸变增大，诱导 TiO 2 中锐钛矿型晶体向金红石型晶体转变的能力增强，提高粒径均匀性和分散性能. 关键词：Cu−Ce/TiO 2 ；响应面法；数值模拟；优化；甲醛；光催化降解 中图分类号：TP183 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2014)05−0891−051 前 言 TiO 2 是 N 型半导体材料，具有化学稳定性高、耐光腐蚀、对人体无毒等优点，广泛应用于工业水处理领域 [1,2] . 但 TiO 2 能带宽，只能吸收紫外光，在紫外光照射下发生光降解，处理成本高 [3,4] ，因此，响应可见光的TiO 2 一直是研究目标. 为改善 TiO 2 的光催化性能，提高其量子效率和对可见光能的利用率，必须对其进行改性，在保持 TiO 2 在紫外光区域的活性的同时，将光响应范围拓展到可见光区域. 金属离子掺杂是主要的TiO 2改性手段，宁成云等 [5] 通过阳极氧化−浸渍法制备了 Cu掺杂 TiO 2 纳米管阵列；Li 等 [6] 采用水热法在 TiO 2 纳米管表面掺杂了 Cu；Nageh 等 [7] 采用电解氧化还原反应，用 Cu 作阴极制备了 TiO 2 纳米管；桑艳等 [8] 采用溶胶−凝胶法制备了 Cu 掺杂纳米 TiO 2 粉末；燕宁宁等 [9] 、高攀等 [10] 制备了 Ce−TiO 2 光催化剂. 以上研究多集中在以Cu 或 Ce 对 TiO 2 进行单一元素掺杂，近几年研究发现选取适当元素共掺杂所得光催化剂具有更好的光催化性 能 ， 如 赵 江 平 等[11]采 用 溶 胶 − 凝 胶 法 制 备 了Cu−Ce/TiO 2 光催化剂降解室内甲醛气体；朱鹏飞等 [12]用溶胶−凝胶法制备了 Cu−Fe 双金属掺杂 TiO 2 /膨润土负载型复合光催化剂. 同时有研究者 [13−16] 通过理论计算和实验分析复合金属离子改性 TiO 2 的性能，证明改性 TiO 2 的性能与复合金属离子的负载量、复合金属离子的摩尔比及烧结温度密切相关. 文 献 [17, 18]研 究 了 复 合 金 属 离 子的 负 载 量(0.5%~4.5%)、摩尔比(0.5~4.5)及烧结温度(300~600℃)对改性 TiO 2 性能的影响趋势，但对各因素的研究都以其他因素固定为前提，无法对比各因素对改性 TiO 2 性能影响的显著性，对改性 TiO 2 制备方法的优化以指定因素固定为前提，而不是对一定范围内各因素的优化. 本研究采用溶胶−凝胶法，以过渡金属离子 Cu 和稀土金属离子 Ce 改性 TiO 2 制备 Cu−Ce/TiO 2 ，基于响应面法和数值模拟方法研究 Cu−Ce 负载量(Cu−Ce 摩尔含量)、Cu/Ce 摩尔比及烧结温度对 Cu−Ce/TiO 2 光催化降解甲醛溶液性能的影响，考察各因素的影响趋势和显著性，获得预测模型，优化复合金属离子改性 TiO 2 的制备方案. 拓展了 Cu−Ce/TiO 2 的应用范围，对提高其光催化降解甲醛溶液性能有重要的理论价值和现实意义. 2 实 验 2.1 材料与试剂 钛酸丁酯 Ti(C 4 H 9 O) 4 为化学纯；无水乙醇、甲醛及Cu(NO 3 ) 2 ⋅3H 2 O, Ce(NO 3 ) 3 ⋅6H 2 O, HNO 3 , NH 3 ⋅H 2 O 均为分析纯；实验用水为去离子水. 将 1 mg/mL 的甲醛标准溶液稀释定容至 2 μg/mL. 2.2 实验装置与分析仪器 HJC-1 型环境测试舱(上海步青建筑科技发展有限公司)，PHS-25 型 pH 计(上海今迈仪器仪表有限公司)，XCSL-16-12Y 型中温实验炉(洛耐院仪器设备制造公司)，GD66-1 型鼓风干燥箱(北京实验设备厂)，78-1 型磁力加热搅拌器(上海浦东物理光学仪器厂)，SL-11 型仪表恒温水