逐層自組裝法制備納米二氧化鈦空心微球

郝晏，李巧玲，李建強(qiáng)，白蕊

（中北大學(xué)化學(xué)系，山西太原030051）

逐層自組裝法制備納米二氧化鈦空心微球

郝晏，李巧玲，李建強(qiáng)，白蕊

（中北大學(xué)化學(xué)系，山西太原030051）

本文采用溶膠-凝膠法與自組裝技術(shù)相結(jié)合的工藝，以聚乙二醇為模板制備了多層組裝的TiO2空心微球。采用TEM對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。以甲基橙溶液的脫色降解率，考察了不同煅燒溫度和組裝層數(shù)對TiO2空心微球光催化性能的影響。結(jié)果表明：500℃煅燒下組裝四層的TiO2空心微球光催化效果最佳，2 h內(nèi)對甲基橙的催化效果可達(dá)到97.25%。

自組裝技術(shù)；TiO2空心微球；光催化

從發(fā)現(xiàn)二氧化鈦表面能發(fā)生水的持續(xù)氧化還原反應(yīng)以來，在光催化領(lǐng)域中二氧化鈦受到了人們的廣泛關(guān)注。二氧化鈦光催化劑以其無毒、催化活性高、氧化能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好成為最常用的光催化劑，可將有機(jī)污染物完全礦化為水、二氧化碳和無機(jī)離子，無二次污染，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的光催化材料[1～4]。

本文采用溶膠-凝膠法與自組裝技術(shù)[5]相結(jié)合的工藝，以鈦酸丁酯為原料、聚乙二醇-4000做為內(nèi)“核”[6]、以陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉為介質(zhì)[7]，通過逐層自組裝法制備了多層組裝的TiO2空心微球[9]。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

鈦酸丁酯（分析純），鹽酸（分析純），無水乙醇（分析純），乙酸（分析純），十二烷基苯磺酸鈉（化學(xué)純），聚乙二醇-4000（化學(xué)純）

1.2 納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦復(fù)合顆粒的組裝

1.2.1TiO2溶膠的制備

以鈦酸四丁酯為原料，以無水乙醇為溶劑，以36%乙酸和12mol/L鹽酸為抑制劑制備TiO2溶膠。將5mL鈦酸四丁酯、20mL無水乙醇混合均勻制成A液，10mL無水乙醇、2 mL蒸餾水和1.5 mL的36%乙酸混合均勻制成B液；在室溫下攪拌下將B液緩緩倒入A液中，繼續(xù)攪拌；向上述混合液中滴加鹽酸2～3滴，繼續(xù)攪拌約2～4 h成為一整塊透明的不能流動的膠塊為止。

1.2.2納米結(jié)構(gòu)TiO2的制備

稱取一定質(zhì)量的聚乙二醇（PEG）溶于6mmol/L的十二烷基苯磺酸鈉（DBS）水溶液中，超聲20min使得PEG表面組裝上一層表面活性劑單分子膜；將一定量TiO2溶膠放入該混合溶液，在80℃的水浴中反應(yīng)2 h，然后陳化1 d，進(jìn)行TiO2溶膠顆粒與表面活性劑之間的靜電自組裝。這一組裝方法是基于表面活性劑分子的兩親性質(zhì)。在PEG球表面，表面活性劑通過單層吸附，使PEG球表面帶負(fù)電，與表面荷正電的TiO2膠粒通過靜電引力而結(jié)合。然后抽濾并在100℃下烘干30min。將上述得到的樣品為組裝一層后的復(fù)合顆粒，再分別用十二烷基苯磺酸鈉水溶液和TiO2溶膠進(jìn)行處理，步驟同上完成第二層、第三層、第四層的組裝。分別在300℃,500℃，600℃下將納米結(jié)構(gòu)TiO2/PEG復(fù)合粒子煅燒2 h，除去模板劑PEG，制備TiO2空心微球。

1.3 催化實驗

以TiO2空心微球?qū)谆热芤捍呋蟮拿撋试u價其催化活性。取0.02 g的光催化劑樣品分散于裝有20mL濃度為10mg/L，pH=3甲基橙溶液的表面皿中。實驗所用光源為60W紫外光燈，表面皿與光源之間相距40 cm。常溫下，每隔30min取樣，經(jīng)離心機(jī)分離，測定上層清液在510 nm（pH=3的甲基橙最大吸收波長）處的吸光度A。

2 結(jié)果與討論

2.1 TEM電鏡分析

圖1為組裝四層TiO2空心微球的TEM圖，從圖中可以看到顆粒狀的微球且直徑在100 nm。

2.2 光催化性能分析

用721分光光度計對TiO2的光催化劑的催化性能進(jìn)行測試。圖2中列出TiO2光降解甲基橙的吸光度值，圖中的折線斜率值可看出催化效率的變化。圖中所示以PEG為模板制得的TiO2空心微球在2 h內(nèi)對甲基橙的光催化效果可知：500℃（四層）＞500℃（兩層）＞600℃（四層）＞600℃（三層）。根據(jù)公式D=（A0-A）/A0×100%其中A0和A分別為光催化前后甲基橙溶液的吸光度。光催化效果最佳的500℃組裝四層的TiO2樣品，在2 h內(nèi)對甲基橙模擬廢水催化降解率可達(dá)到97.25%。

3 結(jié)論

實驗在以PEG為模板的采用溶膠-凝膠法與自組裝技術(shù)相結(jié)合的工藝制備了多層組裝的TiO2空心微球，并采用TEM對產(chǎn)物進(jìn)行表征，達(dá)到理想形貌。通過對甲基橙溶液的光催化降解實驗得出500℃煅燒下組裝四層的TiO2空心微球光催化效果最佳，2 h內(nèi)對甲基橙的催化效果可達(dá)到97.25%。

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Preparation of Layer-by-layer self-assembled nano-titania hollow microsphere

HAO Yan,LI Qiao-Ling,LI Jian-Qiang,BAI Rui
（Department of Chemistry，North University of China,Taiyuan Shanxi 030051）

Combining the sol-gel method and self-assembly technique,the multi-layer assembly TiO2hollow microsphere was synthesized using PEG template.The products were characterized using TEM.By the methylene orange degradation,the effect of temperature and the assembly layers on the photocatalysis property of the TiO2hollow microsphere were investigated.The results indicated the hollow microspheres were synthesized.The catalysis efficiency of microsphere samples on the methylene orange degradation in 2 hour was up to 97.25%.

self-assembly technique;TiO2hollow microsphere;photocatalysis

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.01.005

TQ134.1+1

1008-1267（2011）01-013-02

A

2010-05-23

山西省自然科學(xué)基金（209011009），山西省回國留學(xué)基金（2008064）。

郝晏（1983-）女，在讀碩士，從事納米光催化材料的研究及其在廢水處理中的應(yīng)用。