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分析試樣的物相結構，SEM進行顯微組織觀察，利用紫外可見分光光度計（UV-1700）進行光降解率測試。實驗結果表明，在不同溫度下水熱合成的單一的銳鈦礦相納米TiO2晶體，顯微組織結構均勻，晶粒尺寸在11.2nm～56.8nm之間，堆積介孔有序，對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℃降解率達到最高。

關鍵詞：TiO2；介孔；水熱法；光降解

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0279-02

一、引言

隨著工業技術的快速發展，環境污染也越來越嚴重，人們更加關注自己賴以生存的生活環境，其中廢水污染已經成為威脅我們生存的重要因素之一。目前的工業廢水處理普遍存在著成本高、周期長、效果差，難以達到排放標準的要求。1972年日本Fujishima和Honda科學家研究發現半導體TiO2電極可以分解水，使光催化技術的研究和應用得到迅速的發展，大量的研究表明，通過光催化技術能夠很好的將廢水中的有機物分解為CO2和H2O。同時，光催化技術以太陽能為能源，可以節約能源、降低治理廢水的成本，是一種清潔、綠色、有效的治理工業廢水的方法。現在TiO2光催化材料還存在著半導體禁帶寬度大，對太陽能的利用率低、催化活性低，分解效率有待進一步提高，等等缺點。

水熱合成法具有工藝簡單、無污染，制備樣品晶粒尺寸分布均勻、不易團聚等優點，同時可以通過控制反應物的相對含量、合成溫度及溶液PH值等條件獲得特殊的結構與形貌。本文采用合適的模版劑，控制合成溫度，制備了具有介孔結構的納米TiO2光催化材料。

二、實驗步驟及方法

（一）實驗試劑及設備

實驗使用的主要試劑與設備有：鈦酸丁酯（TBT，國藥集團化學有限公司）、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）、高速臺式離心機（80-1）等。

（二）實驗步驟

將1.5gCTAB溶入60ml乙醇中，放到磁力攪拌機上攪拌直至完全溶解，用鹽酸調節溶液的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攪拌，待滴定結束后繼續攪拌兩小時，得到懸浮液B，調節其PH值為1；將懸浮液B放入到100ml的反應釜中，放入電熱恒溫干燥箱，溫度設置為150℃、180℃、210℃、240℃四個不同溫度，保溫時間均為24小時；烘干結束后用離心機離心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，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）進行物相結構分析及介孔的測定，利用荷蘭PHILIPS公司的掃描電子顯微鏡（XL-30ESEM）進行形貌觀察，通過日本島津的紫外可見分光光度計（UV-1700）進行光降解實驗。

三、實驗結果與分析

（一）試樣的物相結構

在不同的水熱合成溫度下制備的TiO2粉末通過X-衍射儀進行物相分析如圖1所示。從圖中可以看出，在四個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-衍射儀進行小角衍射，測試曲線如圖2所示。在2θ為0.48°出現衍射峰，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構。隨著溫度的升高，晶粒尺寸有長大的趨勢，堆積成的介孔孔道分布更加均勻、有序。當溫度升高到210℃溫度時，晶粒尺寸分布最均勻，介孔孔道更加有序。但當溫度繼續升高到240℃時，晶粒尺寸長大趨勢明顯，最大晶粒尺寸達到56nm，介孔結構尺寸也變大，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—可見分光光度計測清液在464nm處的吸光度，測量的數據結果如圖4所示。

從試樣的測量結果看，在不同溫度下水熱合成的納米TiO2粉末試樣，隨著時間的延長，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，降解效率達到最高。這與不同溫度下合成的TiO2顯微組織中孔道結構有關系，在此溫度下獲得的均勻有序的介孔結構，TiO2的納米結構表現出更高的活性，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試樣組織結構均勻，介孔結構堆積有序。

3.不同溫度下合成試樣對甲基橙的降解率隨著時間的增長而升高，隨著溫度的升高降解率先升高后降低，當溫度達到210℃降解率最高。

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