二氧化鈦納米管的制備及其表征

林幸 劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001）

二氧化鈦納米管的制備及其表征

林幸 劉維良

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)： 333001）

采用水熱法，以P25（TiO2）粉體和NaOH溶液為反應(yīng)原料，水熱反應(yīng)制備出TiO2納米管。采用透射電鏡(TEM)、X-射線衍射（XRD）等手段對制得的納米管的形貌、結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行了表征，并研究了其光催化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物為TiO2納米管，晶型為銳鈦礦型，呈多管壁結(jié)構(gòu),外徑為10～30納米,長度為幾百納米至幾微米。在紫外光照射下，TiO2納米管對亞甲基藍(lán)（MB）的光催化降解率高于P25粉，80分鐘后降解率達(dá)到60%。

水熱反應(yīng)，TiO2納米管，光催化降解

1 引言

具有光催化性能的半導(dǎo)體（TiO2、WO3、CdS、ZnS、ZnO、CdSe等）已成為當(dāng)今環(huán)境、化學(xué)等領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。這些半導(dǎo)體對許多烴類、鹵代芳烴、染料、農(nóng)藥、油類等物質(zhì)具有很好的降解作用，能處理多種污染物[1]。其中TiO2由于抗化學(xué)和光腐蝕、性質(zhì)穩(wěn)定、催化活性高、無毒、價廉等優(yōu)點(diǎn)而受到特別的關(guān)注[2]。TiO2納米管又是其中的一種存在形式，與TiO2納米粉體相比，TiO2納米管具有更大的比表面積和孔體積，能大幅度提高它的光催化性能,因此被廣泛用于光催化劑和半導(dǎo)體電池中[3-5]。

TiO2納米管的制備方法主要有溶膠-凝膠法、模板合成法、陽極氧化法和水熱合成法等[6]。水熱合成法相對于其它幾種方法的特點(diǎn)是：合成過程中能直接生成氧化物晶體，無需煅燒，避免了納米管的硬團(tuán)聚及煅燒過程中出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 T i O2納米管的制備與表征

稱取 2g P25（TiO2）粉末置于裝有 30ml、10mol/L NaOH的聚四氟乙烯高壓反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜密封后置于150℃下保溫12h,水熱處理后,自然冷卻至室溫,將所得白色沉淀物用稀硝酸、去離子水、無水乙醇反復(fù)清洗直至中性。然后將其70℃下烘干12h，即可得到TiO2納米管樣品。

2.2 測試實(shí)驗(yàn)

運(yùn)用D8-Advance型X射線衍射儀對樣品進(jìn)行晶型測試，TEM JSM-6700F型高分辨透射電子顯微鏡對樣品進(jìn)行超微觀結(jié)構(gòu)分析，用Lambda25型紫外可見分光光度儀測試吸光度，對其光催化活性進(jìn)行測定。

2.3 光催化實(shí)驗(yàn)

以紫外光照射下催化降解亞甲基藍(lán)（MB）為模型來評價所制備的TiO2納米管的光催化活性?，F(xiàn)將原料P25粉與TiO2納米管進(jìn)行對比，比較其光催化活性。配置30mg/L亞甲基藍(lán)溶液100ml置于200ml容積的燒杯中，測定其初始吸光峰值A(chǔ)o，稱取0.2g光催化劑置于上述溶液中,開啟攪拌器攪拌20min，使光催化劑粉末在溶液中分布均與。在紫外光照射下隔20分鐘取一次樣，采用Lambda25型紫外可見分光光度儀測試其降解后吸光峰值A(chǔ)，降解率r如式1所示。

式中，A0和A為溶液的初始吸光峰值和降解后吸光峰值；C0和C為溶液的初始濃度和降解后濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相分析

將所得粉末樣品進(jìn)行XRD分析，衍射譜如圖1所示。TiO2納米管的X射線衍射圖與標(biāo)準(zhǔn)卡JCPDS對比可知，XRD圖譜中的特征峰值均對應(yīng)于銳鈦礦晶型的特征峰值，因此推斷實(shí)驗(yàn)所得的TiO2納米管為銳鈦礦晶型。

3.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

如圖2a所示，用水熱制備的納米管是兩端開口，中空的管狀結(jié)構(gòu)，而非實(shí)心的納米線。圖2b、c為納米管的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖像，從圖中可知納米管為多層壁結(jié)構(gòu)，管壁分布為5～13層，管壁層間距大約為0.8nm。納米管內(nèi)徑分布為5～8nm，外徑分布為10～30nm，長度從幾百納米到幾微米。在TEM測試過程中，隨著時間的延長，納米管壁出現(xiàn)消失現(xiàn)象，導(dǎo)致管壁結(jié)構(gòu)的不完整性，因此它的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的研究。

3.3 光催化效率分析

如圖3所示，在紫外光照射下TiO2納米管對亞甲基藍(lán)（MB）的降解率在任何時間段都高于P25粉，其主要原因可能是由于TiO2納米管具有較大的比表面積和較好的吸附能力，在表面上吸附了更多的亞甲基藍(lán)，提供了更多的反應(yīng)點(diǎn)，促使其在紫外光下光催化能力高于P25粉。

4 結(jié)論

運(yùn)用水熱法制備得到的TiO2納米管，晶型為銳鈦礦型，呈多管壁結(jié)構(gòu)，管壁分布為5～13層，管壁間距大約0.8nm，納米管內(nèi)徑分布為5～8nm，外徑分布為10～30nm，長度從幾百納米到幾微米。紫外光照射下，TiO2納米管對亞甲基藍(lán)的光催化降解效率高于P25粉，照射80分鐘后對亞甲基藍(lán)的降解率為60%。

1 黃艷娥,據(jù)行松.納米二氧化鈦催化降解水中有機(jī)污染物的研究進(jìn)展.化工環(huán)保,2002,22(1):200～203

2 劉志海,李澄等.鈷離子置換鈦酸鹽納米管的制備和光催化活性研究.陶瓷學(xué)報,2007,28(2):94～98

3 郭孟獅,楊靖華.李荀等,TiO2納米管研究及應(yīng)用進(jìn)展.化工新型材料,2006,34(7):14～16

4 Motonari Adachi,Yusuke Murata,Makoto Harada and Susumu Yoshikawa.Formation of titania nanotubes with high photo-catalytic activity.The Chemical Society of Japan,2000,611(11):942～943

5 Chedarampet S.Karthikeyan,Helga Wietasch and Mukundan Thelakkat.Highly efficient solid-state dye-sensitized TiO2solar cells using donor-antenna dyes capable of multistep charge-transfer cascades.Adv.Mater.,2007,19:1091～1095

6 陳曉娟,彭芳光.TiO2納米管的制備、改性及應(yīng)用研究.鐵道建筑技術(shù),2008(增),296～299

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF TiO2NANOTUBE

Lin Xing Liu Weiliang
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001)

TiO2nanotubes were synthesized by hydrothermal process,using P25 (TiO2)powder and NaOH as the reactant.The micro-morphology,structure and composition of titania nanotube (TNT)were characterized by TEM and XRD,and the photocatalytic activity was studied.The results showed that the product is anatase TiO2nanotubes with multi-storey tube wall,10nm～30nm in the external-diameter,several nanometers to tens in the length.In the ultraviolet light,the photocatalytic degradation rate ofMB by TNT was 60%in eighty minutes,higher than the photocatalytic degradation by P25.

hydrothermal process,TiO2nanotubes,photocatalytic degradation

on Dec.30,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0226-03

2009-12-30

江西省教育廳科研項(xiàng)目資助（編號：2007219）

劉維良，E-mail:jdzweiliang@163.com

Liu Weiliang,E-mail:jdzweiliang@163.com