多孔二氧化鈦/碳的制備及光催化性能研究

摘 要：以二氧化硅作為硬模板，成功制備了含有介孔結構的二氧化鈦/碳。通過氮氣條件下燒結，制成了含有大量介孔的二氧化鈦。對其降解亞甲基藍的光催化活性進行研究，結果表明多孔二氧化鈦/碳具有突出的光催化活性。

關鍵詞：多孔二氧化鈦/碳;光催化性能研究;降解有機物

隨著經濟的迅猛發展，環境污染和污水處理問題的解決已經刻不容緩。光催化降解污染物，凈化水源是較新型并具發展潛力的污水凈化技術[1]。其中二氧化鈦（TiO2）因良好的化學性能、成本低廉、沒有毒性成為熱門被關注的半導體功能材料[2-3]。在多種形貌結構的二氧化鈦中，介孔結構的TiO2為樣品提供更大的比表面積，更多的電荷傳輸通道，促進電荷傳輸、表面滲透力強和光的吸收量較大，是很有前景的半導體材料。本研究以水溶性二氧化硅為模板，形成結構穩定的二氧化鈦粉末，然后通過KOH腐蝕掉二氧化硅模板，制備出擁有且結構穩定的介孔二氧化鈦/碳粉末，并對其進行光催化降解有機物的性能測試。

1 實驗部分

1.1 介孔二氧化鈦/碳的制備

稱取0.15g水溶性二氧化硅完全溶于20mL乙醇中。5mL鈦酸四異丙酯緩慢滴加進溶液中，加熱到40℃，攪拌2h。放置到冷卻。然后將產物離心，洗滌，得到白色固體，60℃干燥得到白色粉末。將粉末在爐子中燒結，燒結2h得到樣品粉末。將得到的樣品放入3mL的KOH溶液中，70℃，攪拌一天，除去二氧化硅。將樣品用二次蒸餾水洗至pH=7，并于60℃干燥得到所要樣品。

1.2 介孔二氧化鈦/碳的降解亞甲基藍的實驗步驟

介孔二氧化鈦/碳光催化降解亞甲基藍（MB）性能的研究在紫外光為光源的催化反應裝置中進行，具體操作步驟如下：將25 mg的二氧化鈦/碳粉末加入到濃度為80mL，10-4mol/L的MB溶液中，在黑暗處吸附20min后，使用紫外光照射溶液樣品，時間間隔為5min取一次樣，離心后吸取上層溶液，在664nm波長下，利用分光光度計測試溶液吸光強度，從而分析二氧化鈦/碳降解亞甲基藍的活性。

1.3 介孔二氧化鈦/碳的光性能研究

圖1a是二氧化鈦/碳的物相表征譜圖（XRD）。圖中是TiO2的XRD物相圖，與標準TiO2對比，所有峰都與之相匹配，說明我們合成的物質是TiO2。圖1b中清晰的看出樣品表面分布著許多介孔。整個物質表明呈現出多孔的棉絮狀，并且孔的分布沒有規律，是雜亂無序的。掃描電鏡譜圖可以表明我們成功制成了具有介孔結構的二氧化鈦/碳。為了能更清晰的表現出我們樣品的比表面積，我們還測試了不同樣品的BET測試，結果如表1所示。通過表格數據可以看出，對比其他樣品，介孔二氧化鈦/碳的比表面積最大，并且介孔的比表面積也是最大的。

圖2 顯示了不同的樣品所對應的亞甲基藍的降解率，可觀察具有介孔結構二氧化鈦/碳表現出了更突出的光催化性能，在光照25min后，亞甲基藍完全被降解。普通二氧化鈦/碳只能降解80%左右，商業的P25在25 min后，僅能降解50%，我們制備的具有介孔結構二氧化鈦/碳呈現出了超強的優勢，具有更高的性能。二氧化鈦/碳表現出高的活性取決于介孔結構帶來的較高的比表面積和較多的孔徑通道，這使二氧化鈦能更充分與亞甲基藍分子相接觸，并且允許更多的光通過孔道進入到二氧化鈦的內部。通過實驗可以得出介孔結構的二氧化鈦/碳能更快的分解亞甲基藍溶液。

綜上所述，以水溶性二氧化硅為模板，成功制備出了比表面積較大的，具有穩定的介孔結構的二氧化鈦/碳粉末。二氧化鈦/碳粉末是具有棉絮狀的多孔結構，比表面積高達105.2m2/g-1。對其進行光催化降解有機物的性能的測試。研究表明在紫外光下，亞甲基藍溶液被介孔二氧化鈦快速降解，是商業P25降解速率的2倍，具有突出的光催化活性。因此，所制備的材料可以應用于含有有機污染物的廢水處理中。

參考文獻：

[1]陳佳佳.多孔有序殼聚糖/二氧化鈦/碳納米管/累托石復合材料的制備及其光催化降解性能的研究[A].中國化學會高分子學科委員會.中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復合體系[C].中國化學會高分子學科委員會： 中國化學會， 2017：1.

[2]李玉儒，吳世照，劉靜袆，高靜，李國華.常壓水解法制備二氧化鈦/碳納米管復合材料及其電催化性能[J].硅酸鹽學報，2019，47（05）：685-691.

[3]韓景頌.雙介孔二氧化鈦—碳微球的可控制備與性能優化研究[D].南昌：南昌航空大學，2018.

作者簡介：

楊財君（1997- ），男，本科，化學工程與工藝，湖南城市學院。