介孔二氧化鈦的制備及光催化性能的研究

王雨婕 高祎鑫 楊在志

摘要：通過水熱法合成介孔納米TiO2試樣，通過XRD分析試樣的物相結(jié)構(gòu)，SEM進(jìn)行顯微組織觀察，利用紫外可見分光光度計(jì)（UV-1700）進(jìn)行光降解率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同溫度下水熱合成的單一的銳鈦礦相納米TiO2晶體，顯微組織結(jié)構(gòu)均勻，晶粒尺寸在11.2nm～56.8nm之間，堆積介孔有序，對(duì)甲基橙的光降解率隨著溫度的升高先增加后降低，在溫度為210℃降解率達(dá)到最高。

關(guān)鍵詞：TiO2；介孔；水熱法；光降解

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）28-0279-02

一、引言

隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，人們更加關(guān)注自己賴以生存的生活環(huán)境，其中廢水污染已經(jīng)成為威脅我們生存的重要因素之一。目前的工業(yè)廢水處理普遍存在著成本高、周期長(zhǎng)、效果差，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。1972年日本Fujishima和Honda科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體TiO2電極可以分解水，使光催化技術(shù)的研究和應(yīng)用得到迅速的發(fā)展，大量的研究表明，通過光催化技術(shù)能夠很好的將廢水中的有機(jī)物分解為CO2和H2O。同時(shí)，光催化技術(shù)以太陽能為能源，可以節(jié)約能源、降低治理廢水的成本，是一種清潔、綠色、有效的治理工業(yè)廢水的方法。現(xiàn)在TiO2光催化材料還存在著半導(dǎo)體禁帶寬度大，對(duì)太陽能的利用率低、催化活性低，分解效率有待進(jìn)一步提高，等等缺點(diǎn)。

水熱合成法具有工藝簡(jiǎn)單、無污染，制備樣品晶粒尺寸分布均勻、不易團(tuán)聚等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過控制反應(yīng)物的相對(duì)含量、合成溫度及溶液PH值等條件獲得特殊的結(jié)構(gòu)與形貌。本文采用合適的模版劑，控制合成溫度，制備了具有介孔結(jié)構(gòu)的納米TiO2光催化材料。

二、實(shí)驗(yàn)步驟及方法

（一）實(shí)驗(yàn)試劑及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用的主要試劑與設(shè)備有：鈦酸丁酯（TBT，國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，天津歐博凱化工有限公司）、乙醇、鹽酸、甲基橙、磁力攪拌器（79-1）、超聲清洗器（SB5200DT）、高速臺(tái)式離心機(jī)（80-1）等。

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

將1.5gCTAB溶入60ml乙醇中，放到磁力攪拌機(jī)上攪拌直至完全溶解，用鹽酸調(diào)節(jié)溶液的PH=1，獲得溶液A；用移液管量取10mlTBT，以每秒兩滴的速度向溶液A滴入，邊滴邊用磁力攪拌機(jī)攪拌，待滴定結(jié)束后繼續(xù)攪拌兩小時(shí)，得到懸浮液B，調(diào)節(jié)其PH值為1；將懸浮液B放入到100ml的反應(yīng)釜中，放入電熱恒溫干燥箱，溫度設(shè)置為150℃、180℃、210℃、240℃四個(gè)不同溫度，保溫時(shí)間均為24小時(shí)；烘干結(jié)束后用離心機(jī)離心30分鐘，用乙醇洗滌兩次，放入烘箱中，在80℃溫度下保溫12小時(shí)，最后得到干燥物研磨成粉，制得TiO2粉末。

（三）試樣的表征

制備好的試樣用德國布魯克AXS公司X-射線衍射儀（DX-2800）進(jìn)行物相結(jié)構(gòu)分析及介孔的測(cè)定，利用荷蘭PHILIPS公司的掃描電子顯微鏡（XL-30ESEM）進(jìn)行形貌觀察，通過日本島津的紫外可見分光光度計(jì)（UV-1700）進(jìn)行光降解實(shí)驗(yàn)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）試樣的物相結(jié)構(gòu)

在不同的水熱合成溫度下制備的TiO2粉末通過X-衍射儀進(jìn)行物相分析如圖1所示。從圖中可以看出，在四個(gè)不同的水熱合成溫度下，試樣的物相組成均為單一的銳鈦礦相，在2θ為25.28°、37.80°、48.05°、53.89°分別為銳鈦礦相的（101）（004）（200）（211）晶面。由最強(qiáng)衍射峰（101）及Scherrer公式可得不同溫度下的平均粒徑在11.2nm～56.8nm之間。

將在210℃下合成的TiO2試樣利用X-衍射儀進(jìn)行小角衍射，測(cè)試曲線如圖2所示。在2θ為0.48°出現(xiàn)衍射峰，表明TiO2粉末試樣存在小孔，而且這些小孔是有序分布的。

（二）試樣的形貌觀察

經(jīng)過不同溫度下水熱合成的納米TiO2的顯微組織如圖3所示。

試樣在不同溫度下的SEM顯微組織如圖3所示，試樣粉末顆粒成球狀，并且堆積成一定的孔道結(jié)構(gòu)。隨著溫度的升高，晶粒尺寸有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，堆積成的介孔孔道分布更加均勻、有序。當(dāng)溫度升高到210℃溫度時(shí)，晶粒尺寸分布最均勻，介孔孔道更加有序。但當(dāng)溫度繼續(xù)升高到240℃時(shí)，晶粒尺寸長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，最大晶粒尺寸達(dá)到56nm，介孔結(jié)構(gòu)尺寸也變大，變得不均勻。因此，最佳的水熱合成溫度為210℃。

（三）光催化性能

將水熱合成的粉末試樣放在80ml初始濃度為20 mg/L的甲基橙溶液中，在黑暗條件下超聲攪拌30分鐘以達(dá)到吸附平衡，開啟8w的紫外燈，每隔20分鐘取一次樣，離心分離。用日本島津UV-1700型紫外—可見分光光度計(jì)測(cè)清液在464nm處的吸光度，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示。

從試樣的測(cè)量結(jié)果看，在不同溫度下水熱合成的納米TiO2粉末試樣，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，甲基橙的降解率都有明顯升高。但在不同溫度下降解率先升高后降低，在水熱合成溫度210℃下，降解效率達(dá)到最高。這與不同溫度下合成的TiO2顯微組織中孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)系，在此溫度下獲得的均勻有序的介孔結(jié)構(gòu)，TiO2的納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更高的活性，有利于納米TiO2與甲基橙溶液更加充分，提高分解效果。

四、結(jié)論

1.在不同溫度下水熱合成的納米TiO2晶體是單一的銳鈦礦相，晶粒尺寸在11.2nm～56.8nm之間。

2.在210℃溫度下合成的納米TiO2試樣組織結(jié)構(gòu)均勻，介孔結(jié)構(gòu)堆積有序。

3.不同溫度下合成試樣對(duì)甲基橙的降解率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，隨著溫度的升高降解率先升高后降低，當(dāng)溫度達(dá)到210℃降解率最高。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡金林，楊其浩，陳靜，等.介孔二氧化鈦功能納米材料的合成與應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展，2013，25（12）：2080-2092.

[2]張冬云，白孟蘭，李新梅，等.介孔TiO2的合成及其對(duì)剛果紅的吸附性能[J].中國粉體技術(shù)，2014，20（3）：30-33.

[3]豐炳梅，王慧鑫，孫雪，等.介孔TiO2微米棒的制備及電化學(xué)脫嵌鋰性能研究[J].中國科技論文，2014，9（3）：268-271.

[4]姜洪泉，王城英，王鵬，等.N摻雜TiO2納米粉體的表面特性及可見光活性[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，29（2）：161-166.

[5]景茂祥，顏遠(yuǎn)瞻，平昱航，等.介孔二氧化鈦微球光催化劑的結(jié)構(gòu)與性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，32（1）：5-9.