室溫離子液體中TiO2—ZrO2納米顆粒的合成及其在光催化中的應(yīng)用

李志強(qiáng)

摘 要：室溫離子液體作為一種新型的綠色環(huán)保溶劑，在無(wú)機(jī)納米材料合成中的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注。本文以室溫離子液體1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸（[C8mim]PF6）（含0.08%必須水）為反應(yīng)介質(zhì)，以丁基鈦和丁基鋯為原料，甲醇沉淀法制備TiO2-ZrO2納米顆粒，并探索了反應(yīng)物濃度、溫度、攪拌速度等對(duì)材料粒徑大小、均勻度的影響，并用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和物理吸附儀等對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征，測(cè)定了納米顆粒在光催化降解對(duì)氯苯酚反應(yīng)中的活性要高于商品化催化劑Degussa P25，且重復(fù)使用兩次催化效率可保持原來(lái)的60%。

關(guān)鍵詞：TiO2-ZrO2納米顆粒 離子液體 合成 光催化 對(duì)氯苯酚

中圖分類(lèi)號(hào)：O643 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（c）-0004-02

作為綠色清潔的良溶劑，離子液體在眾多研究領(lǐng)域的得到了廣泛的應(yīng)用。其溶解性好，熱穩(wěn)定性高，低毒性，低揮發(fā)性，與其他傳統(tǒng)溶劑相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)，這使得很多離子液體取代傳統(tǒng)的溶劑被應(yīng)用到有機(jī)化學(xué)反應(yīng)[1]，生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)[2]、電化學(xué)反應(yīng)[3]、高分子反應(yīng)[4]以及分子自組裝[5]中。室溫離子液體一般是由特定的體積相對(duì)較大的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的有機(jī)陽(yáng)離子和體積相對(duì)較小的無(wú)機(jī)陰離子構(gòu)成的，在室溫或接近室溫，呈液態(tài)的離子型有機(jī)化合物（如圖1）。常見(jiàn)的陽(yáng)離子類(lèi)型有咪唑型、吡啶型、烷基銨型、烷基磷型等一些含氮或磷的有機(jī)陽(yáng)離子；陰離子有溴離子、氯離子、氟離子等鹵素離子、六氟磷酸根離子、四氟硼酸根離子以及其他無(wú)機(jī)陰離子[6]，具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。

TiO2納米顆粒具有活性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低、毒性低等特殊的性質(zhì)，作為光催化劑被廣泛的應(yīng)用在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化和環(huán)境工程等方面。但純的TiO2納米材料熱穩(wěn)定性較低、量子效率較低等弱點(diǎn)大大限制了TiO2的應(yīng)用。這一弱點(diǎn)，可以通過(guò)加入其他氧化物，制備復(fù)合物的方式加以改善[7]。目前，眾多的二元金屬氧化復(fù)合物中，TiO2-ZrO2氧化物是性能改善較好的一個(gè)，二氧化鋯的引入可以在保持TiO2原有的晶體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，賦予復(fù)合材料其他的特性[8]。

近年來(lái)，人們把離子液體應(yīng)用到無(wú)機(jī)納米材料合成中，起到了傳統(tǒng)溶劑未見(jiàn)的作用和效果。由于離子液體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，即通過(guò)調(diào)整不同陰、陽(yáng)離子組合，使得在其中反應(yīng)所獲得的無(wú)機(jī)納米材料形貌及各方面性能都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，為無(wú)機(jī)合成納米材料開(kāi)辟了一種新的途徑。其中典型的成功例子有：酸催化的二氧化硅凝膠的合成[9]，以及一些貴金屬納米顆粒的合成，如鈀[10]，銥等[11]納米顆粒。

本文通在室溫離子液體1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽[C8mim]PF6介質(zhì)中，利用醇沉淀法制備了不同Ti/Zr比例，分散性能較好的TiO2-ZrO2納米顆粒。并探討了在紫外光催化下，TiO2-ZrO2納米顆粒和商品化Degussa P25降解對(duì)氯苯酚的活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Ti（OBu）4、Zr（OBu）4和Degussa P25以及離子液體合成相關(guān)化學(xué)試劑均購(gòu)自北京百靈威化學(xué)試劑公司，甲醇和甲苯等常規(guī)溶劑購(gòu)自天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。Karl-Fischer水分測(cè)定儀和可調(diào)速磁力攪拌器購(gòu)自梅特勒-托利多公司。

1.2 TiO2-ZrO2納米催化劑的制備

1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[C8mim]PF6）參考文獻(xiàn)方法合成[12]?？諝庵形盏乃暮浚ㄟ^(guò)Karl-Fischer方法檢測(cè)為0.08%。向10 ml的反應(yīng)瓶中加入1.8 ml的1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽和 0.3 ml的0.15M Ti（OBu）4和不同濃度的0.15 M Zr（OBu）4無(wú)水甲苯溶液，將上述混合物在35°C下，1200 rpm下攪拌20 min，加入2 ml甲醇，5000 rpm離心15 min，收集，用甲醇（1 ml）洗滌后再離心，反復(fù)三次，所得樣品在500°C下焙燒4 h，獲得TiO2-ZrO2納米顆粒。

1.3 TiO2-ZrO2納米催化劑的表征

將所合成的鋯摩爾含量分別為0%、5%、15%、25%和35%的TiO2-ZrO2樣品分別表示為T(mén)Z0、TZ5、TZ15、TZ25和ZT35，并進(jìn)行相應(yīng)的表征。樣品XRD分析采用Bruker公司D8型X射線粉末衍射儀（Cu的Kα線作為輻射源，K=0.15406 nm，電壓40 kV，200 Ma，掃描范圍θ=10°-70°，掃描步長(zhǎng)0.01°，采樣間隔時(shí)間0.02 s）；形貌和尺寸分析在日本JEOL JSM-6700F（5 kV）高分辨掃描電子顯微鏡上進(jìn)行；樣品的比表面積用美國(guó)康塔公司的Quantachrome Nova物理吸附儀測(cè)定，采用BET法計(jì)算比表面積和孔徑；樣品酸性通過(guò)Microneritics Autochem 2901化學(xué)吸附儀測(cè)定，測(cè)試溫度范圍50°C～700°C，升溫速率2°C/min，樣品在200°C超純氧氣中預(yù)處理2 h；對(duì)氯苯酚濃度的測(cè)定用UV-vis光譜分析儀（V-530，JASCO，Japan）。

1.4 降解對(duì)氯苯酚的光催化反應(yīng)

分別將50 mg上述所得納米顆粒樣品加入100 ml石英光化學(xué)反應(yīng)器中，加入5.1×10-4 M的對(duì)氯苯酚水溶液進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn)，對(duì)樣品進(jìn)行光催化活性評(píng)估。在黑暗中，將上述樣品超聲30 min，使樣品達(dá)到吸附和解吸附平衡。使用發(fā)射波長(zhǎng)為365 nm的250 W高壓汞燈作為紫外光源。光反應(yīng)過(guò)程中，采用水冷的方法，保持反應(yīng)溫度為室溫。每間隔30 min取樣一次，并將樣品離心除去其中的納米顆粒，并測(cè)定225 nm處的紫外光譜吸收。同法測(cè)定相同條件下，Degussa P25的光催化活性，作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

在TiO2-ZrO2顆粒制備的過(guò)程中，我們嘗試了0.05、0.1、0.15、0.2和0.25M的Ti（OBu）4無(wú)水甲苯溶液，添加相應(yīng)相同濃度不同摩爾量的Zr（OBu）4無(wú)水甲苯溶液，進(jìn)行合成嘗試，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用0.15M的Ti（OBu）4進(jìn)行納米顆粒合成時(shí)，能夠獲得尺寸最小，粒徑均勻，分散度好，比表面大的納米顆粒；低于此濃度時(shí)難以形成較好的復(fù)合物顆粒，而濃度大于 0.15M時(shí)，顆粒尺寸會(huì)顯著增大。在驗(yàn)證Zr（OBu）4濃度對(duì)產(chǎn)物粒徑的影響實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)隨著添加Zr（OBu）4摩爾量分別為T(mén)i（OBu）4量的0%、5%、15%、25%和35%遞增時(shí)，獲得的顆粒的直徑逐漸變小，當(dāng)Zr（OBu）4的量達(dá)到35%并繼續(xù)增大時(shí)，所得顆粒粒徑反而增大。

同時(shí)，考察了25、35和45°C下，顆粒的形成情況，當(dāng)溫度在35°C時(shí)，獲得顆粒的粒徑最??；25°C時(shí)，溶液的粘度可能較大，顆粒的粒徑較大；溫度為45°C時(shí)，離子液體的粘度低，流動(dòng)性好，反而對(duì)微球的形成不利。

探索攪拌轉(zhuǎn)速條件時(shí)，采用500 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌，未形成較好的球狀顆粒，通過(guò)加大攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，可以獲得不同大小顆粒；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速至1200 rpm可以獲得尺寸最小，粒徑均勻的納米顆粒；進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)速，微球的尺寸保持不變。如圖2所示，35°C時(shí)，獲得的添加25%Zr（OBu）4樣品TZ25焙燒后的TiO2-ZrO2納米顆粒的掃描電鏡圖。結(jié)果表明，樣品在焙燒后，仍能較好的分散并保持原有的形態(tài)。

如圖3所示，經(jīng)過(guò)500°C焙燒不同鋯含量的納米顆粒，都有明顯的銳鈦礦相晶型衍射峰[13]，ZrO2是高度分散在TiO2結(jié)構(gòu)中，即使當(dāng)ZrO2含量達(dá)到35%時(shí)，也沒(méi)有觀察到明顯的衍射峰。當(dāng)鋯含量逐漸增加時(shí)，銳鈦礦晶型衍射峰出現(xiàn)了逐漸變?nèi)鹾妥儗挼默F(xiàn)象，說(shuō)明銳鈦礦相晶型變差，晶體尺寸下降。晶體大小，以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)Debye-Scherrer方程，樣品的總酸度以及BET表面積測(cè)定結(jié)果均匯總于表1中。

從表1結(jié)果中，我們可以明顯看到隨著鋯含量的增多，整個(gè)納米顆粒的尺寸逐漸變小，可能是ZrO2成份的增加抑制了銳鈦礦晶型的形成。與純的TiO2（TZ0）相比，隨著孔徑逐漸增大總酸度也逐漸增加，其中鋯含量為25%的TZ25有最大的酸度和最大的表面積，這表明，隨著ZrO2量的增加，使得顆粒表面的羥基含量逐漸增加，大大提高了催化劑的酸度。

一般認(rèn)為ZrO2由于表面缺陷和空穴，在高壓汞燈的照射激發(fā)下，可引起激發(fā)光生電子轉(zhuǎn)移，從而提高催化劑光催化量子效率。通過(guò)提高納米顆粒中ZrO2的含量，可以提高俘獲電子的效率以增強(qiáng)其光催化效率。從圖4結(jié)果可以看出，光催化的活性隨著鋯含量的增加而增加，25%鋯含量的納米顆粒顯示出最高的光催化活性，降解率為90.2%，而商品化Degussa P25催化劑催化效率僅為70.5%。

但當(dāng)催化劑中鋯含量超過(guò)35%時(shí)，光催化活力反而下降。分析原因可能是表面積和酸性的降低或電子從ZrO2向TiO2轉(zhuǎn)移的效率降低[14]。光催化反應(yīng)后，光催化劑通過(guò)離心、甲醇洗滌回收，干燥，重復(fù)使用兩次后，催化效率為原來(lái)的60%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)研究，在含有痕量水的室溫離子液體1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[C8mim]PF6）介質(zhì)中，利用甲醇沉淀制備了不同Ti/Zr比例，分散性能較好的TiO2-ZrO2納米顆粒。此種納米顆粒具有較大的比表面積，均一的孔結(jié)構(gòu)，較高的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。在紫外照射光催化降解對(duì)氯苯酚反應(yīng)中，與純TiO2及商品化的德固賽Degussa P25相比TiO2-ZrO2納米顆粒體現(xiàn)了較好的光催化活性和效率，并且具有一定的重復(fù)再用性。為合成新型的TiO2-ZrO2納米材料提供了一種新的方法，為降解氯酚類(lèi)環(huán)境有害物質(zhì)提供了一種更有效的方法。

參考文獻(xiàn)

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[14] Kim，J.Y.Kim，C.S.Chang，H.K.Kim，T.O.Adv.Powder Technol[Z].2010，21：141-144.

同時(shí)，考察了25、35和45°C下，顆粒的形成情況，當(dāng)溫度在35°C時(shí)，獲得顆粒的粒徑最小；25°C時(shí)，溶液的粘度可能較大，顆粒的粒徑較大；溫度為45°C時(shí)，離子液體的粘度低，流動(dòng)性好，反而對(duì)微球的形成不利。

探索攪拌轉(zhuǎn)速條件時(shí)，采用500 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌，未形成較好的球狀顆粒，通過(guò)加大攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，可以獲得不同大小顆粒；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速至1200 rpm可以獲得尺寸最小，粒徑均勻的納米顆粒；進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)速，微球的尺寸保持不變。如圖2所示，35°C時(shí)，獲得的添加25%Zr（OBu）4樣品TZ25焙燒后的TiO2-ZrO2納米顆粒的掃描電鏡圖。結(jié)果表明，樣品在焙燒后，仍能較好的分散并保持原有的形態(tài)。

如圖3所示，經(jīng)過(guò)500°C焙燒不同鋯含量的納米顆粒，都有明顯的銳鈦礦相晶型衍射峰[13]，ZrO2是高度分散在TiO2結(jié)構(gòu)中，即使當(dāng)ZrO2含量達(dá)到35%時(shí)，也沒(méi)有觀察到明顯的衍射峰。當(dāng)鋯含量逐漸增加時(shí)，銳鈦礦晶型衍射峰出現(xiàn)了逐漸變?nèi)鹾妥儗挼默F(xiàn)象，說(shuō)明銳鈦礦相晶型變差，晶體尺寸下降。晶體大小，以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)Debye-Scherrer方程，樣品的總酸度以及BET表面積測(cè)定結(jié)果均匯總于表1中。

從表1結(jié)果中，我們可以明顯看到隨著鋯含量的增多，整個(gè)納米顆粒的尺寸逐漸變小，可能是ZrO2成份的增加抑制了銳鈦礦晶型的形成。與純的TiO2（TZ0）相比，隨著孔徑逐漸增大總酸度也逐漸增加，其中鋯含量為25%的TZ25有最大的酸度和最大的表面積，這表明，隨著ZrO2量的增加，使得顆粒表面的羥基含量逐漸增加，大大提高了催化劑的酸度。

一般認(rèn)為ZrO2由于表面缺陷和空穴，在高壓汞燈的照射激發(fā)下，可引起激發(fā)光生電子轉(zhuǎn)移，從而提高催化劑光催化量子效率。通過(guò)提高納米顆粒中ZrO2的含量，可以提高俘獲電子的效率以增強(qiáng)其光催化效率。從圖4結(jié)果可以看出，光催化的活性隨著鋯含量的增加而增加，25%鋯含量的納米顆粒顯示出最高的光催化活性，降解率為90.2%，而商品化Degussa P25催化劑催化效率僅為70.5%。

但當(dāng)催化劑中鋯含量超過(guò)35%時(shí)，光催化活力反而下降。分析原因可能是表面積和酸性的降低或電子從ZrO2向TiO2轉(zhuǎn)移的效率降低[14]。光催化反應(yīng)后，光催化劑通過(guò)離心、甲醇洗滌回收，干燥，重復(fù)使用兩次后，催化效率為原來(lái)的60%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)研究，在含有痕量水的室溫離子液體1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[C8mim]PF6）介質(zhì)中，利用甲醇沉淀制備了不同Ti/Zr比例，分散性能較好的TiO2-ZrO2納米顆粒。此種納米顆粒具有較大的比表面積，均一的孔結(jié)構(gòu)，較高的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。在紫外照射光催化降解對(duì)氯苯酚反應(yīng)中，與純TiO2及商品化的德固賽Degussa P25相比TiO2-ZrO2納米顆粒體現(xiàn)了較好的光催化活性和效率，并且具有一定的重復(fù)再用性。為合成新型的TiO2-ZrO2納米材料提供了一種新的方法，為降解氯酚類(lèi)環(huán)境有害物質(zhì)提供了一種更有效的方法。

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[14] Kim，J.Y.Kim，C.S.Chang，H.K.Kim，T.O.Adv.Powder Technol[Z].2010，21：141-144.

同時(shí)，考察了25、35和45°C下，顆粒的形成情況，當(dāng)溫度在35°C時(shí)，獲得顆粒的粒徑最??；25°C時(shí)，溶液的粘度可能較大，顆粒的粒徑較大；溫度為45°C時(shí)，離子液體的粘度低，流動(dòng)性好，反而對(duì)微球的形成不利。

探索攪拌轉(zhuǎn)速條件時(shí)，采用500 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌，未形成較好的球狀顆粒，通過(guò)加大攪拌轉(zhuǎn)數(shù)，可以獲得不同大小顆粒；當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速至1200 rpm可以獲得尺寸最小，粒徑均勻的納米顆粒；進(jìn)一步加大轉(zhuǎn)速，微球的尺寸保持不變。如圖2所示，35°C時(shí)，獲得的添加25%Zr（OBu）4樣品TZ25焙燒后的TiO2-ZrO2納米顆粒的掃描電鏡圖。結(jié)果表明，樣品在焙燒后，仍能較好的分散并保持原有的形態(tài)。

如圖3所示，經(jīng)過(guò)500°C焙燒不同鋯含量的納米顆粒，都有明顯的銳鈦礦相晶型衍射峰[13]，ZrO2是高度分散在TiO2結(jié)構(gòu)中，即使當(dāng)ZrO2含量達(dá)到35%時(shí)，也沒(méi)有觀察到明顯的衍射峰。當(dāng)鋯含量逐漸增加時(shí)，銳鈦礦晶型衍射峰出現(xiàn)了逐漸變?nèi)鹾妥儗挼默F(xiàn)象，說(shuō)明銳鈦礦相晶型變差，晶體尺寸下降。晶體大小，以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)Debye-Scherrer方程，樣品的總酸度以及BET表面積測(cè)定結(jié)果均匯總于表1中。

從表1結(jié)果中，我們可以明顯看到隨著鋯含量的增多，整個(gè)納米顆粒的尺寸逐漸變小，可能是ZrO2成份的增加抑制了銳鈦礦晶型的形成。與純的TiO2（TZ0）相比，隨著孔徑逐漸增大總酸度也逐漸增加，其中鋯含量為25%的TZ25有最大的酸度和最大的表面積，這表明，隨著ZrO2量的增加，使得顆粒表面的羥基含量逐漸增加，大大提高了催化劑的酸度。

一般認(rèn)為ZrO2由于表面缺陷和空穴，在高壓汞燈的照射激發(fā)下，可引起激發(fā)光生電子轉(zhuǎn)移，從而提高催化劑光催化量子效率。通過(guò)提高納米顆粒中ZrO2的含量，可以提高俘獲電子的效率以增強(qiáng)其光催化效率。從圖4結(jié)果可以看出，光催化的活性隨著鋯含量的增加而增加，25%鋯含量的納米顆粒顯示出最高的光催化活性，降解率為90.2%，而商品化Degussa P25催化劑催化效率僅為70.5%。

但當(dāng)催化劑中鋯含量超過(guò)35%時(shí)，光催化活力反而下降。分析原因可能是表面積和酸性的降低或電子從ZrO2向TiO2轉(zhuǎn)移的效率降低[14]。光催化反應(yīng)后，光催化劑通過(guò)離心、甲醇洗滌回收，干燥，重復(fù)使用兩次后，催化效率為原來(lái)的60%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)系統(tǒng)研究，在含有痕量水的室溫離子液體1-辛烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[C8mim]PF6）介質(zhì)中，利用甲醇沉淀制備了不同Ti/Zr比例，分散性能較好的TiO2-ZrO2納米顆粒。此種納米顆粒具有較大的比表面積，均一的孔結(jié)構(gòu)，較高的結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性。在紫外照射光催化降解對(duì)氯苯酚反應(yīng)中，與純TiO2及商品化的德固賽Degussa P25相比TiO2-ZrO2納米顆粒體現(xiàn)了較好的光催化活性和效率，并且具有一定的重復(fù)再用性。為合成新型的TiO2-ZrO2納米材料提供了一種新的方法，為降解氯酚類(lèi)環(huán)境有害物質(zhì)提供了一種更有效的方法。

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