低溫水熱納米二氧化鈦分散液制備工藝探索研究

李建業，楊建偉，姜紹龍，甄冠勝

(1.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700;2.山東默銳環境產業股份有限公司，山東 濰坊 262714)

低溫水熱納米二氧化鈦分散液制備工藝探索研究

李建業1,2，楊建偉2，姜紹龍2，甄冠勝2

(1.濰坊科技學院，山東 濰坊 262700;2.山東默銳環境產業股份有限公司，山東 濰坊 262714)

通過采用低溫水熱法制備了銳鈦礦型納米二氧化鈦分散液，研究了鈦源與尿素比例、水熱反應溫度、水熱反應時間對納米催化劑性能的影響，同時通過光還原法對納米分散液中的納米二氧化鈦進行了鉑(Pt)納米沉積，探索了Pt摻雜量對催化劑性能的影響，羅丹明B(RhB)脫色降解實驗，結果表明，最佳反應條件為：硫酸鈦與尿素的比例1:1.5，水熱溫度85℃，反應時間18h，納米Pt沉積載量為1.5%。

低溫水熱；納米二氧化鈦；羅丹明B；納米Pt沉積

環境污染的控制與治理一直是全世界關注的焦點，因此尋求高效的降解環境污染物方法具有重要意義。自從1972年日本科學家Fujishima和Honda[1]首次發現在近紫外光的作用下，金紅石型TiO2單晶電極能使水在常溫常壓下發生分解反應，這一轟動性的發現標志著對金屬氧化物半導體異相光催化研究新時期的開始，也掀起了半導體光催化的研究熱潮。眾多研究人員、科學家在努力探索研究半導體光催化的基本過程，提高TiO2的光量子產率，擴展其響應光譜范圍，以及在工業化應用方面都進行了廣泛而深入的研究。這些研究與尋找新能源密切相關，主要包括光解水制氫[2]、光化學電池[3]、光化學固氮、有機合成[4]，二氧化碳的還原等, 尤其是光催化降解環境污染物[5-7]。然而， TiO2光催化的研究到目前為止已經進行了幾十年，但仍然方興未艾，如火如荼，其原因是(1)由于當今世界的能源危機和環境惡化，迫使人們尋找更清潔，可再生的新能源，而TiO2幾乎是目前所發現的效率最高的光催化劑；(2)TiO2在環境治理上的應用前景是極其誘人的，其優勢是其他處理方法所無法比擬是。它不但穩定、無毒、活性高，而且能利用廉價、清潔、無窮盡的太陽能，能無選擇性礦化幾乎所有的有機污染物和還原祛除許多過渡金屬離子。

國內對于納米光催化劑的工業化生產起步較晚，大部分研究還局限于實驗室的操作，本文使用廉價的硫酸鈦與尿素作為基本原料，采用安全高效的低溫水熱合成法制備了納米二氧化鈦分散液，并且探索得到了最佳的催化劑制備工藝，同時為了進一步提升催化劑的效率與穩定性，對納米二氧化鈦進行了納米Pt沉積，通過探索實驗得到了最佳的沉積載量。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

硫酸鈦(Ti(SO4)2)，尿素，蒸餾水(自制)，氯鉑酸(H2PtCl6)，異丙醇，氬氣；機械攪拌器，高壓反應釜(200mL)，氙燈(CEL-HXUV300，中教金源)，超聲分散儀，光反應器(CEL-LB70，中教金源)，分光光度計(哈希DR3900)，電子分析天平(ME204E，Mettler Toledo)，電熱鼓風干燥箱(WGL-125B，天津市泰斯特儀器有限公司)。

1.2 納米二氧化鈦分散液的制備

將3.6g Ti(SO4)2溶于150mL蒸餾水中，迅速機械攪拌直至完全溶解，將Ti(SO4)2水溶液轉移至三口燒瓶中；將1.35g尿素溶解于50mL蒸餾水中，攪拌至完全溶解，然后將尿素的水溶液轉移至分液漏斗中，在連續機械攪拌下緩慢滴入乘有Ti(SO4)2水溶液的三口燒瓶中，尿素溶液滴加完畢后繼續攪拌1h，然后將混合溶液轉移至高壓反應釜中，將反應釜轉移至電熱鼓風干燥箱中，85℃水熱反應24h，反應完畢，將反應釜取出冷卻至室溫將溶液倒出，離心分離10min，然后將離心管中的清液倒出再重新加入等量的蒸餾水震蕩攪拌至分散均勻，再次離心處理，如此重復3～4次直至清液電導率恒定不變后，將催化劑的分散液超聲分散處理30min直至分散均勻，室溫下保存備用。

1.3 納米Pt沉積二氧化鈦分散液的制備

首先，將水與異丙醇以 1:1 的比例混合置于反應瓶中，反應液總體積為 100 mL，然后將 上述制備納米 TiO2分散液加入到混合液中。反應瓶密封，通入氬氣除氧 1h。 然后在 300 W 的氙燈(CEL-HXUV300，中教金源)下光照。 在光照過程中，將0.5mol/L的 H2PtCl6溶液逐滴緩慢加入到納米TiO2的懸浮液中，光照2h后，將制備好的樣品離心，多次水洗，超聲分散至等量的蒸餾水中備用。

1.4 實驗方法

采用 CEL-HXUV300氙燈作為光源，分別取在不同實驗條件下制備的納米分散液8mL加入到 100mL 9mg/L的羅丹明B溶液中。反應前將樣品置于暗室內攪拌1h，以達到吸附平衡，然后將反應器于氙燈下進行照射，每隔5min取樣檢測，將所取樣品離心處理5min取上清液移至比色皿中，用分光光度計對樣品溶液進行吸光度測試，可知羅丹明B最大吸收波長為 554 nm。通過計算羅丹明B溶液的吸光度來測其降解率η，η=，C0-羅丹明B光照前的濃度，C-光照一定時間后的濃度。

2 結果討論

2.1 硫酸鈦與尿素的比例對納米二氧化鈦光催化性能的影響

圖1 不同硫酸鈦與尿素的物質的量比例制備 納米分散液RhB脫色降解實驗

保持其他的實驗條件不變，分別調整硫酸鈦與尿素的物質的量比例為1:1，1:1.5，1:2，1:2.5制備催化劑分散液，進行光催化RhB脫色降解實驗，實驗結果如圖1所示，硫酸鈦與尿素的物質的量比例為1:1時，RhB降解效果最差，試驗中發現相比較其他的比例，該反應在相同的反應時間下催化劑的產率偏低，分析為由于尿素的量不足夠硫酸鈦充分進行水解反應，不僅僅反應不充分，而且反應速度相應減慢，造成最終產物分散液中含有的催化劑量較少，因此降解效果差；同時在圖1中發現，當其比例依次改變為1:2與1:2.5時，降解效果逐漸變差，而從最終分散液來看，催化劑分散效果不好，粒徑偏大，是由于當尿素比例增大時，伴隨反應速度大大提升，因此二氧化鈦生長速度較快不能有效的控制催化劑的粒徑導致粒徑過大，光催化效率相應的降低。因此，從圖1結果分析得硫酸鈦與尿素的最佳的物質的量比例為1:1.5，在此比例條件下，能保證硫酸鈦充分參與水解反應的同時實驗反應速度的有效控制，保證納米催化劑的粒徑。

2.2 反應溫度對納米二氧化鈦光催化性能的影響

保持其他反應條件不變，分別改變水熱溫度為65，75，85，95℃制備納米催化劑分散液，進行RhB光催化脫色降解實驗，實驗結果如圖2所示，如圖2中可以明顯看出，當反應溫度為65℃、75℃時，降解效果與85，95℃相比明顯差很多，因為溫度較低時催化劑晶型無法轉變為銳鈦礦相，而無定形態與金紅石型催化劑光催化效果與銳鈦礦型相比差很多，因此表現為RhB脫色降解效果差，而當反應溫度升至85，95℃時RhB降解效果有明顯提升，但是85，95℃條件下制備的催化劑效果相差不大，綜合經濟性考慮選用的最佳反應溫度為85℃。

圖2 不同水熱溫度下制備納米 分散液RhB脫色降解實驗

2.3 反應時間對納米二氧化鈦光催化性能的影響

圖3 不同反應時間下制備納米 分散液RhB脫色降解實驗

保持其他反應條件不變，改變反應時間分別為6，12，18，24，30h制備納米分散液，分別將不同條件下制備的分散液進行光催化脫色降解實驗，結果如圖3所示，結果顯示在反應時間為18h時制備的納米分散液性能最佳，時間太短則納米催化劑晶型為完成成型，時間太長則會造成晶粒生長過大，導致光催化效率降低。

綜上，納米TiO2分散液最佳的制備工藝條件為：硫酸鈦與尿素的最佳比例為1:1.5，水熱溫度85℃，反應時間18h，其降解RhB的吸光度曲線如圖4所示，由圖中可以看出，554nm處的波峰并沒有發生偏移，證明RhB降解并沒有經過脫乙基過程而是直接開環降解。

圖4 納米分散液RhB脫色降解吸光度曲線

2.4 納米二氧化鈦光催化性能耐久性測試

眾所周知，TiO2作為光催化劑被廣泛應用原因之一是源于它出色的穩定性，在本研究中我們通過連續的向反應體系中加入RhB，觀察染料的降解速率，來考察了催化劑的穩定性。體系中催化劑分散液用量為8mL(分散液中催化劑濃度為8g/L)，初始的羅丹明B染料(濃度9mg/L)降解完畢后，再重新加入濃的染料使它的濃度與當初相同。染料在第二個循環中的降解速度幾乎與第一個循環相同(圖5) 如此重復11次，染料的降解速率并沒有明顯地下降，充分證明本試驗制備的納米二氧化鈦分散液作為光催化劑在反應條件下是相當穩定的。

圖5 納米分散液RhB脫色降解實驗耐久性測試

2.5 納米Pt沉積二氧化鈦分散液性能及沉積量對其光催化性能的影響

由于TiO2能隙較寬 ( Eg=3.2eV)，只能夠吸收波長在320-420nm的紫外光，因此只能利用不足5% 的太陽光，并且半導體載流子的復合率很高，量子產率較低，這也成為了制約該技術進一步發展的瓶頸，我們通過對TiO2進行改性擴大其響應光譜區間，降低光生載流子的復合率，提高光催化的量子效率，目前常見的改性的方法主要有貴金屬沉積、過渡金屬離子摻雜、非金屬粒子摻雜、光敏化以及半導體間的復合等，其中Pt、Pd等貴金屬可有效地拓寬光催化劑的光譜響應范圍，提高光催化性能。

當貴金屬Pt沉積在 TiO2表面時，載流子會重新分布，電子從費米能級較高的半導體 TiO2轉移至費米能級較低的貴金屬，直到它們的費米能級相匹配。二者接觸后形成的空間電荷層中，貴金屬表面獲得過量的負電荷，半導體表面顯示出過量的正電荷，于是導致能帶向上彎曲形成肖特基勢壘，而肖特基勢壘能有效地捕獲光生電子，阻止了光生電子與空穴的復合。同時，在貴金屬沉積改性 TiO2的過程中，需將金屬的沉積量需控制在一個合適的范圍內[8-9]。本文首先研究了納米TiO2表面沉積納米Pt后的催化劑光催化活性改變，并探索了貴金屬Pt的最佳沉積量。

圖6 不同Pt沉積量條件下制備納米 分散液RhB脫色降解實驗

圖7 不同Pt沉積量條件下制備納米分散 液RhB脫色降解實驗局部放大

保持其他的反應條件不變，改變氯鉑酸的加入量分別調控納米Pt的沉積量為1%，1.5%，2%，2.5%，進行RhB光催化脫色降解實驗，實驗結果如圖6、圖7所示，結果顯示，當沉積量為1%與2.5 %時，結果較差，原因是由于當沉積量為1%沉積量較少，還不足以有效的促進光生載流子的分離來提高量子產率，而當沉積量為2.5 %，Pt沉積量過大，其對電子有較強的吸附作用，會減小電子密度，導致復雜場結構的出現，成為電子-空穴對重新復合的中心，最終使催化劑的光催化活性降低同時，貴金屬沉積量過多時，TiO2催化劑表面會被覆蓋，當光照射時會被阻止，從而減少了光生電子空穴的數目，同樣會降低 TiO2光催化反應的速率。從結果可以看出，沉積量為1.5 %，2 %時，光催化降解效果十分接近，從經濟性方面考慮，本試驗確定最佳的納米Pt沉積量為1.5%。

3 結論

采用低溫水熱法制備納米TiO2分散液，并通過探索實驗得到了最佳的催化劑制備條件；同時對所制備的納米TiO2進行了貴金屬納米Pt沉積，具有良好的光催化性能，通過對RhB的脫色降解實驗得到了最佳的沉積載量。

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(本文文獻格式：李建業，楊建偉，姜紹龍，等.低溫水熱納米二氧化鈦分散液制備工藝探索研究[J].山東化工，2017，46(14)：24-27.)

Study on Preparation Processes of Nano-TiO2Dispersions by Low-temperature Hydrothermal Method

LiJianye1,2，YangJianwei2，JiangShaolong2，ZhenGuansheng2

(1.Wei Fang University of Science and Technology， Weifang 262714,China;2.Shan Dong Moris Environmental Industry Co., Ltd., WeiFang 262714,China)

Anatase Nano-TiO2dispersions were prepared by Low-temperature Hydrothermal Method. This paper studied thepreparation processes of nano-TiO2dispersions in detail and settled down the optimum conditions through experiments including the molar ratio of Ti(SO4)2and urea，hydrothermal temperature and hydrothermal time. At the same time，the as-prepared were loaded nano-Pt by photo-reduction method, and the optimum Pt deposition weight were obtained by the decolorization and degradation experiment of RhB. The result indicates that the optimum molar ratio of Ti(SO4)2and urea is 1:1.5; the optimum hydrothermal temperature is 85℃，the optimum hydrothermal time is18h and the optimum Pt deposition weight is 1.5wt.%.

low-temperature hydrothermal method；nano-TiO2；RhB; nano-Pt deposition

2017-05-15

李建業(1971—)，山東壽光人，博士學位，主要研究方向：工業廢水廢氣治理、飲用水凈化。

TB383

A

1008-021X(2017)14-0024-04