納米二氧化鈦的制備及其光催化性能

杜錦閣，姚朝宗

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

納米二氧化鈦的制備及其光催化性能

杜錦閣，姚朝宗

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 三全學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

分別采用水熱法和溶膠－凝膠法制備了TiO2納米粉體；利用X射線衍射儀和掃描電鏡分析了兩種方法制備的TiO2粉體的形貌和晶體結(jié)構(gòu)，并測定了納米TiO2粉體對羅丹明B的光催化降解活性.結(jié)果表明：采用水熱法制備的TiO2納米粉體含有銳鈦礦相和金紅石相，粒徑較小，大約為50nm，而且分散均勻，光催化性能良好；采用溶膠－凝膠法制備的TiO2粉體經(jīng)過550℃煅燒后仍然為銳鈦礦相，而且粒徑較大，大約為80nm.

溶膠－凝膠法；TiO2；混晶；光催化活性

20世紀70年代FUJISHIMA和HONDA發(fā)表的關(guān)于在TiO2電極上光分解水的文章，揭開了TiO2光催化時代的序幕［1］.由于TiO2光催化劑無毒、穩(wěn)定性好、廉價易得，能將環(huán)境污染物降解為CO2和H2O且不造成二次污染而得到了廣泛研究［2－3］，被認為是最好的光催化材料.

TiO2具有多種晶相，包括板鈦礦相、銳鈦礦相以及金紅石相［4］.人們一般認為，銳鈦礦相的二氧化鈦光催化活性較好，對二氧化鈦光催化性能的研究也大多采用銳鈦礦相.但是，有人注意到，商業(yè)產(chǎn)品P－25本身是雙晶相的二氧化鈦粉末，這種存在于銳鈦礦和金紅石混相中的協(xié)同作用成為了近年來研究的重點［5－8］，研究證明，銳鈦礦相與金紅石相共存時光催化效果最好［9］.但是，含有銳鈦礦相和少量金紅石相的混晶TiO2很難被直接合成出來，而是需要通過其他手段獲得，如煅燒等.高溫煅燒雖然有利于形成規(guī)則的晶型結(jié)構(gòu)，然而也會降低TiO2晶粒的比表面積、減少表面羥基含量［10］，高溫煅燒制得的TiO2顆粒在投入溶液中后極易團聚［11］，降低納米TiO2的光催化活性.因此，為了避免高溫煅燒操作帶來的影響，作者采用較為廉價的四氯化鈦作為鈦源，通過水熱法直接制備出含有銳鈦礦相和少量金紅石相的混晶納米TiO2，與經(jīng)過煅燒制備的TiO2相比較，分別研究了它們的光催化活性.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四氯化鈦（分析純，金山縣興塔化工廠）；無水乙醇（分析純，北京化工廠）；尿素（分析純，北京化工廠）；羅丹明B（分析純，洛陽市化學(xué)試劑廠）.鄭州杜甫儀器廠的聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜（體積50mL）；江蘇省東臺縣電器廠的高溫電爐（SRJX－3－9型）；德國Bruker axs D8X射線衍射儀（Cu靶 Kα線，20mA，40 kV）；北京普析通用儀器有限公司TU－1900型雙光束紫外可見分光光度計；美國JSM－5600型掃描電鏡（加速電壓20kV）；SGY－1型多功能光化學(xué)反應(yīng)儀（南京斯東柯電氣設(shè)備有限公司）.

1.2 二氧化鈦光催化劑的制備

取1mL四氯化鈦，冰水冷卻30min，加入到10mL蒸餾水和10mL乙醇的混合溶液中，攪拌，緩慢滴加10mL質(zhì)量分數(shù)為0.6%的尿素溶液，室溫勻速攪拌2h后，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中，在鼓風(fēng)干燥箱中180℃恒溫處理16h.冷卻至室溫，過濾、洗滌，60℃烘干，即得到純的TiO2納米粉體.

溶膠－凝膠法制備二氧化鈦參見文獻［12］，得到的凝膠經(jīng)真空干燥、研磨、煅燒、再研磨后得到TiO2樣品.

1.3 光催化劑活性的測定

以羅丹明B為降解物，使用SGY－1型多功能光化學(xué)反應(yīng)儀評價TiO2納米粉體的光催化活性.該反應(yīng)儀是三層同心圓筒玻璃容器，在中間放置300W高壓汞燈（北京天勝恒輝光源電器有限公司，主波長500nm），汞燈外為石英冷阱，內(nèi)通冷卻水，用于降溫.試驗時，將20mg催化劑加入到250mL濃度為30mg／L的羅丹明B溶液中，在避光條件下攪拌30min，然后轉(zhuǎn)移至光化學(xué)反應(yīng)儀中，開啟電磁攪拌，最后開啟汞燈，待穩(wěn)定后開始計時，間隔一定時間取樣10mL，離心分離15min，取上清液，用722型光柵分光光度計測定羅丹明B的吸光度，計算其降解率.

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的XRD分析

圖1是兩種方法制備的TiO2納米粉體的XRD圖.由圖1a可知，用水熱法制備的TiO2納米粉體具有銳鈦礦相和金紅石相，其中在2θ位于25.4°、37.8°和47.6°附近，出現(xiàn)銳鈦礦相 TiO2的特征峰；在2θ位于27.4°、36.2°附近，出現(xiàn)金紅石相TiO2的特征峰.由圖1b可知，經(jīng)過溶膠－凝膠法制備的TiO2納米粉體經(jīng)過550℃煅燒2h后仍然只存在銳鈦礦相，特征峰2θ位于25.4°、37.8°和47.6°附近.說明通過水熱法可以直接制備出混晶納米TiO2粉體.由Scherrer公式D＝kλ／βcosθ（式中k＝0.89，λ＝0.154 1nm，β為半高寬，θ為布拉格角，D為晶粒平均粒徑（nm）），可求得樣品的晶粒大小.水熱法制備的TiO2粒徑約為50nm，而溶膠－凝膠法制備的TiO2經(jīng)550℃煅燒后粒徑約為80nm.

2.2 樣品的形貌分析

圖2是兩種方法制備的TiO2納米粉體的SEM圖.由圖2可知，水熱法制備出的TiO2納米粉體晶形完整，呈不規(guī)則塊狀，分散均勻，粒徑較小，大約為50nm；溶膠－凝膠法制備的TiO2納米粉體經(jīng)550℃煅燒后也呈不規(guī)則塊狀，但團聚現(xiàn)象較為嚴重，粒徑較大，約為80nm.這與樣品的XRD分析相符.

圖1 TiO2納米粉體的XRD圖Fig.1 X－ray diffractograms of TiO2powders

圖2 不同方法制備的TiO2納米粉體的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of TiO2powders

2.3 催化劑的光催化活性

圖3是兩種方法制備的TiO2納米粉體的光催化活性比較圖.由圖3可知，水熱法合成的TiO2納米粉體在15、30、45及60min時降解率分別為76.7%、88.9%、95.3%以及99.6%，而溶膠－凝膠法制備的TiO2降解率分別為69.8%、81%、88.4%以及90.1%.水熱法制備的TiO2光催化效果較好，這是因為：（1）它既含有銳鈦礦晶型，又含有金紅石晶型，由于銳鈦礦相與金紅石相之間的費米能級不同，在某一相中產(chǎn)生的光生電子和空穴可能會流向另一相，從而大大降低了電子和空穴復(fù)合的可能性，提高了樣品的光催化活性；（2）TiO2經(jīng)過煅燒后，團聚現(xiàn)象較為嚴重，與羅丹明B的接觸面積降低；⑶表面羥基為TiO2的活性點，煅燒后表面羥基減少，因此，降低了其光催化效果.

結(jié)論：以廉價的四氯化鈦為鈦源，用水熱法直接制備出了含有銳鈦礦相和少量金紅石相的混晶納米TiO2，通過對比試驗，發(fā)現(xiàn)其光催化效果明顯好于純銳鈦礦相的TiO2納米粉體.

圖3 TiO2納米粉體的制備方法對羅丹明B降解率E的影響Fig.3 Effect of preparation methods of TiO2nanoparticles on the degradation rate of reactive RB

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Preparation and photocatalytic properties of nano－titania

DU Jinge，YAO Chaozong
（Sanquan College，Xinxiang Medical University，Xinxiang453003，Henan，China）

Nano－TiO2particulates were prepared by hydrothermal method and sol－gel method，respectively.The morphology and crystalline structure of as－prepared nano－TiO2were analyzed by X－ray diffraction and scanning electron microscopy.Their photocatalytic activity was evaluated in relation to photocatalyzed degradation of Rhodamine B at room temperature.Results indicate that nano－TiO2catalyst synthesized by hydrothermal method consists of anatase and rutile phases with a smaller size of about 50nm，and it has good photocatalytic activity.Besides，nano－TiO2prepared by sol－gel method consists of anatase phase alone after calcination at 550℃，and it has a larger size of about 80nm.

hydrothermal method；sol－gel method；nano－TiO2；photocatalytic activity

O 614

A

1008－1011（2012）04－0078－03

2012－02－09.

杜錦閣（1984－），女，碩士，助教，研究方向為無機納米材料.E－mail：jingeliu123456＠126.com.