納米TiO2光催化劑制備工藝條件研究

付　丹

(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州，121001)

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科研與開發(fā)

納米TiO2光催化劑制備工藝條件研究

付丹

(遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州，121001)

摘要

關(guān)鍵詞：TiO2溶膠-凝膠法光催化

自1972年Fujishima和Honda[1]發(fā)現(xiàn)在光電池中光輻射TiO2可持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng)以來，世界各國(guó)研究人員對(duì)納米TiO2光催化材料開展了廣泛研究。納米TiO2因其廉價(jià)、無毒、性質(zhì)穩(wěn)定并可以重復(fù)使用，在環(huán)境污染物治理領(lǐng)域有著明顯優(yōu)勢(shì)，被稱為“環(huán)境友好材料”，其可將各種廢水中的有機(jī)污染物完全礦化為水和二氧化碳等無害物質(zhì)[2]。本文采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2粉體，以羅丹明B為測(cè)試對(duì)象，通過對(duì)羅丹明B的降解效果尋求最佳制備納米TiO2的工藝條件。

1實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

1.1試劑

鈦酸四丁酯、羅丹明B、無水乙醇、異丙醇、正丁醇、鹽酸、硝酸、醋酸、氨水，均為分析純。

1.2儀器

DHG-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海圣新科學(xué)儀器有限公司；ZD-85空氣浴振蕩器，常州澳華儀器有限公司；7230G可見分光光度計(jì)，上海京工實(shí)業(yè)有限公司；TDL-5臺(tái)式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠；KSW-416馬弗爐，天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；79-1磁力加熱攪拌器，江蘇江陰科研器械廠；254nm，30W紫外燈，上海匯城電子儀器總廠。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1溶膠-凝膠(Sol-Gel)法制備納米TiO2

將一定量鈦酸四丁酯加入到盛有某溶劑的燒杯中，得溶液A，不斷攪拌。在另外燒杯中加入去離子水和催化劑，得溶液B(通過調(diào)節(jié)催化劑的量可得出不同pH值的B溶液)。在不斷攪拌下將溶液B緩慢滴入溶液A中，繼續(xù)攪拌得到均勻透明的溶膠，不斷攪拌至凝膠，靜止陳化數(shù)日，于100℃下烘干。將所得產(chǎn)品于馬弗爐中500℃熱處理2h，于瑪瑙研缽中研磨后制得納米TiO2粉體。

2.2TiO2光催化降解性能測(cè)定

以羅丹明B為降解對(duì)象，將0.1g樣品置于250mL濃度為5mg/L的羅丹明B溶液中，暗態(tài)攪拌10分鐘以保證粉體與溶液充分接觸。將體系置于30w 254nm紫外燈下，保證燈與液面的距離為12cm。于25℃，150r/min條件下磁力攪拌，每1小時(shí)取樣10mL，離心分離后，采用7230G型可見分光光度計(jì)在最大吸收波長(zhǎng)554nm處測(cè)定羅丹明B溶液的吸光度，根據(jù)式(1)計(jì)算降解率?？疾熘苽浼{米二氧化鈦時(shí)不同溶劑、催化劑、pH值及陳化時(shí)間對(duì)TiO2粉體光催化降解性能的影響。

(1)

式中：η——降解率(%)；

A0——羅丹明B溶液的初始吸光度的值；

A——降解過程中羅丹明B溶液的吸光度值。

2.3產(chǎn)品性能表征

采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAX-RC型X射線衍射儀對(duì)制備的TiO2晶型進(jìn)行表征。

3結(jié)果與討論

3.1溶劑的影響

分別以無水乙醇、異丙醇、正丁醇為溶劑，以冰醋酸為催化劑，制得納米TiO2粉體。對(duì)羅丹明B溶液的降解效果如圖1所示。可見，以無水乙醇為溶劑時(shí)，納米TiO2粉體光催化降解性能最佳。這可能是由于異丙醇、正丁醇的分子量均比乙醇大，鈦酸四丁酯會(huì)與其發(fā)生螯合作用，抑制了鈦酸四丁酯的水解反應(yīng)。同時(shí)螯合作用也會(huì)導(dǎo)致粒子的團(tuán)聚，煅燒后粒子的粒徑也隨之增加，故光催化活性降低。

3.2催化劑的影響

以無水乙醇為溶劑，考察催化劑為鹽酸、硝酸、冰醋酸及氨水時(shí)，所制得納米TiO2粉體對(duì)羅丹明B溶液的降解效果。由圖2可知，催化劑為醋酸時(shí)，羅丹明B溶液的降解率最高，鹽酸次之，然后是硝酸，氨水降解效果最差。這可能是由于醋酸不僅作為反應(yīng)催化劑，同時(shí)又起螯合作用，在煅燒過程中，醋酸會(huì)緩慢揮發(fā)分解，便于形成小顆粒納米TiO2。而鹽酸和硝酸做催化劑時(shí)，因這兩種酸低溫條件下就會(huì)揮發(fā)，所以煅燒后，顆粒尺寸較大，光催化降解效果隨之減小。而以堿性氨水為催化劑時(shí)，納米TiO2顆粒會(huì)團(tuán)聚或?yàn)闊o定型結(jié)構(gòu)，故降解效果很差。

3.3溶液pH值的影響

考察了溶液pH值在2,3,4,5,6,7,8時(shí)，二氧化鈦對(duì)羅丹明B溶液的光催化降解性能。由圖3可見，酸性制備條件所得二氧化鈦粉體對(duì)羅丹明B的降解率明顯高于堿性條件，尤其在pH值=2.0時(shí)，對(duì)羅丹明B溶液的降解效果最佳。這主要是由于溶液pH值對(duì)溶膠形成過程有一定影響。pH值較小時(shí)，較易形成穩(wěn)定的Ti4+，凝膠形成時(shí)間長(zhǎng)，其中鈦含量也高，制得樣品粒徑也較小，故表現(xiàn)出較好的光催化性能。而pH值較大時(shí)，溶液中的TiO2+會(huì)以TiO(OH)2沉淀形式析出，不利于溶膠的形成[3]。因此，制備納米TiO2粉體時(shí)選擇pH值在2～3較好。

3.4陳化時(shí)間的影響

圖4給出了溶膠陳化0.5、1、2、3、4、5天時(shí)，所得納米TiO2粉體對(duì)羅丹明B的降解效果?？梢姡惢瘯r(shí)間為1天時(shí)降解性能最好。這主要是由于增加陳化時(shí)間有利于凝膠形成，并使得晶粒變得更加均勻。陳化時(shí)間短，晶粒形成不完全。陳化時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，故陳化時(shí)間過長(zhǎng)或過短均會(huì)使光催化性能下降。

3.5XRD分析

圖5為乙醇為溶劑，冰醋酸為催化劑，pH值為2.5，陳化1天，500℃煅燒2h條件下制得樣品粉體的XRD圖譜。可知，實(shí)驗(yàn)制備的納米TiO2粉體多為銳鈦礦型，同時(shí)也有金紅石型出現(xiàn)。

4結(jié)論

本文所述溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦的最佳工藝條件為：溶劑為無水乙醇、催化劑為醋酸，溶液pH值為2～3，陳化時(shí)間為1天。經(jīng)500℃煅燒2小時(shí)后所得納米TiO2粉體多為銳鈦礦型，同時(shí)有少量金紅石相出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] Fujishima A，Honda K．Electrochemical photocatalysis of water at a semiconductor electrode[J].Nature,1972(238)：37-38.

[2] 李靜玲,陳友根,陳禮洪．納米TiO2光催化劑在制藥廢水中的應(yīng)用前景[M]．福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2003,1(1)：93-97.

[3] 劉偉娜,王麗華,陳杰.溶膠-凝膠法制備納米二氧化鈦[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,28:187-189.

The Research on the Preparation Process of Nanometer Titanium Oxide Photocatalytic

FuDan

(LiaoNingPetrolchemicalVocationalandTechnologyCollege,Jinzhou121001，Liaoning，China)

Key words:titanium oxide；sol-gel method；photocatalytic

Abstract:Nano TiO2photocatalytic was prepared by sol-gel method with butyl-titanate as the raw material. The optimum conditions were determined by degradating Rhodamine B. The results show that ethanol was solvent, acetic acid was catalyst, pH=2～3, aging time was 1 days. The nano TiO2was characterized as anatase by XRD test.

以鈦酸丁酯為主要原料，采用溶膠-凝膠法制備納米TiO2粉體。以羅丹明B為降解對(duì)象，確定制備條件。結(jié)果表明：以乙醇為溶劑、醋酸為催化劑、pH值=2～3、陳化時(shí)間為1天。通過XRD檢測(cè)，可知所制得納米TiO2多為銳鈦礦型。