TiO₂納米材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其光催化實驗設(shè)計

吳克躍 周井峰

摘 要：采用水熱法制備了不同形貌和結(jié)構(gòu)的TiO2納米材料.通過控制溶劑中二甘醇和水的比例以及制備溫度對TiO2的形貌結(jié)構(gòu)進行了調(diào)控.通過掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對樣品的形貌和結(jié)構(gòu)進行了表征.通過對亞甲基藍的光催化降解研究其光催化性能.結(jié)果表明，二甘醇和水比例為1：1.7，溫度為200℃時所制備的TiO2分級結(jié)構(gòu)具有最佳的光催化活性.該實驗涉及了文獻閱讀、實驗方案制定以及結(jié)果分析等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了學(xué)生的動手、分析、應(yīng)用以及創(chuàng)新等能力.

關(guān)鍵詞：納米材料;光催化;二氧化鈦

中圖分類號：G642;TB383-45? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）01-0023-03

1 引言

隨著社會的發(fā)展，環(huán)境污染情況逐漸嚴(yán)重，有效凈化環(huán)境污染越來越受重視.其中半導(dǎo)體材料的光催化由于其制備方法簡單、成本低等優(yōu)點備受科研工作者重視[1].目前，研究最多半導(dǎo)體材料是氧化物半導(dǎo)體，如TiO2、ZnO、SnO2、WO3等[2-5].由于TiO2具有無毒、耐腐蝕、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，成為光催化研究最為活躍納米材料[6-8].現(xiàn)有研究表明，TiO2的形貌結(jié)構(gòu)對其光催化性能具有重要的影響.近年來，研究者制備了不同形貌結(jié)構(gòu)的TiO2，比如納米線、納米球、納米花以及分級結(jié)構(gòu)等等[9-12].納米線由于具有快速載流子傳輸性能被廣泛研究，但是其比表面積較低，影響其光催化性能.納米花結(jié)構(gòu)的高比表面積有利于光催化性能，但是納米花易團聚，不利光催化性能進一步提高.納米分級結(jié)構(gòu)相比納米線來說具有更大的比表面積，可以吸附更多光敏劑以及更有利于光的吸收，進而提高了其光催化型[13].

本實驗采用水熱法，通過控制溶劑中二甘醇和水的比例以及制備溫度來控制TiO2的形貌和結(jié)構(gòu).研究不同結(jié)構(gòu)的TiO2對亞甲基藍的降解效率.本實驗方法簡單，實驗內(nèi)容涉及納米材料合成、形貌結(jié)構(gòu)測試、光催化降解測試等環(huán)節(jié)，并緊密結(jié)合最新的科學(xué)進展，通過本實驗的開展，提高學(xué)生對光催化知識的理解，提高學(xué)生的動手能力、分析能力、應(yīng)用和創(chuàng)新能力.

2 試劑與儀器

主要試劑：二甘醇（DEG）、草酸鈦鉀（（K2TiO（C2O4）2））、蒸餾水、去離子水、亞甲基藍.

主要儀器：磁力攪拌器、反應(yīng)釜、離心儀、退火爐、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、氙燈光源、紫外-可見近紅外分光光度計.

3 實驗方法

3.1 樣品制備

將0.7g草酸鈦鉀（（K2TiO（C2O4）2）溶于二甘醇和水的混合溶液中.為了控制TiO2的形貌和結(jié)構(gòu)，將二甘醇和水的比例分別設(shè)置為：1：1.7;1：3和1：5.將得到的混合溶液置于50ml的高壓釜中，分別在100℃，150℃，200℃條件下水熱處理12個小時.熱處理完讓其自然冷卻到室溫，離心20分鐘.采用去離子水、乙醇清洗數(shù)次.置于700C烘箱內(nèi)烘干.最后將得到的白色固體粉末置于退火爐（500℃）中退火1小時.

3.2 樣品表征

使用德國D8 ADVANCE對樣品的結(jié)構(gòu)進行測試，使用日本日立的SU8010掃描電子顯微鏡對樣品的形貌進行觀測.

3.3 光催化實驗

通過對亞甲藍（MB）降解速率的分析，研究了二氧化鈦樣品的光催化性能.為了建立吸附-解吸平衡，在黑暗中攪拌含有50ml MB溶液（6mg/L）和30mg二氧化鈦催化劑的懸浮液30分鐘.然后用300W氙燈照射混合物.在180分鐘內(nèi)每30分鐘提取3毫升溶液.用日立的UH4150紫外-可見分光光度法測定各提取物中的MB濃度.

4 結(jié)果與討論

4.1 TiO2的形貌結(jié)構(gòu)分析

在水熱法制備TiO2時，溫度和溶劑比例對TiO2的形貌結(jié)構(gòu)具有重要的影響.圖1（a），（b），（c）是當(dāng)DEG與H2O的比例分別為1：1.7、1：3和1：5時所得到的樣品形貌圖.當(dāng)DEG與H2O的比例為1：1.7 時，所得樣品呈棒狀結(jié)構(gòu)的TiO2，如圖1（a）所示，長度約為2um，棒狀結(jié)構(gòu)的TiO2線條排列整齊且表面光滑.當(dāng)DEG與H2O比例為1：3時，TiO2呈不規(guī)則圖形，如圖1（b）所示，但直徑減小為2um左右，形狀呈扁平狀，此時獲得樣品不在光滑，表面變粗糙，當(dāng)DEG與H2O比例為1：5時，如圖1（c）所示，TiO2呈橢圓形微球狀，該球狀直徑約為2um，從圖中可以看出，除了表面不在光滑，該球形樣品表面出現(xiàn)小孔.

圖1（a），（d），（g）是DEG與H2O的比例為1：1.7 時，不同溫度下得到的樣品形貌圖.從圖中可以看出，隨著溫度從100℃升高到200℃，樣品由納米棒變?yōu)榉旨壖{米結(jié)構(gòu).圖1（b），（e），（h）是DEG與H2O的比例為1：3時，不同溫度下得到的樣品形貌圖.從圖中可以看出，隨著溫度從100℃升高到200℃，樣品由無規(guī)則變成花狀再變?yōu)榍蛐?圖1（c），（f），（i）是DEG與H2O的比例為1：5時，不同溫度下得到的樣品形貌圖.從圖中可以看出，隨著溫度從100℃升高到200℃，樣品同樣由無規(guī)則變成花狀再變?yōu)榍蛐?

圖2為不同含量二甘醇下制備的二氧化鈦的X射線衍射圖，如圖2所示.當(dāng)DEG與H2O比例為1：1.7時二氧化鈦的結(jié)構(gòu)為金紅石型在27.5°、36.2°、41.3°、54.4°、56.6°和62.9°附近的衍射峰分別對應(yīng)于金紅石TiO2的（110）、（101）、（111）、（211）、（220）和（002）晶面（JCPDF No.21-1272）.當(dāng)DEG與H2O比例增加到1：5時，除了金紅石相衍射峰外，在 25.2°和48°出現(xiàn)新的衍射峰，分別對應(yīng)銳鈦礦相TiO2的（101）和（200）晶面（JCPDS No.21-1276）.通過XRD可知，不同二甘醇含量會影響二氧化鈦的結(jié)構(gòu)即會影響其晶體結(jié)構(gòu).

4.2 TiO2的光催化性能分析

通過亞甲基藍（MB）在紫外-可見光輻射下的脫色研究了氧化鋅/二氧化鈦異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化活性.如圖3所示.

ln（C0/C）與時間的線性關(guān)系表明，MB的光催化降解遵循偽一級動力學(xué)[14]，

ln（C0/C）=kt，? ?（1）

其中C/C0是歸一化的MB濃度，k是一個偽一級反應(yīng)速率常數(shù)，t是反應(yīng)時間.TiO2微米球的光活性最低，k=0.0033min-1.TiO2納米線、納米花以及分級結(jié)構(gòu)偽一級反應(yīng)速率分別為k=0.0043min-1， 0.0054min-1和0.0089min-1.實驗結(jié)果表明，TiO2分級結(jié)構(gòu)的光催化活性高于TiO2納米花、納米線和微米球.

TiO2分級結(jié)構(gòu)的光催化活性高主要歸因于分級結(jié)構(gòu)具有高比表面積和快速的電子傳輸通道.高比表面積有利于吸附更多的MB以及吸收更多光子.快速的電子傳輸通道有利于光生電子和空穴分散.

5 結(jié)論

本實驗包括納米TiO2材料合成、形貌結(jié)構(gòu)表征、光催化性能分析和實驗數(shù)據(jù)處理，形成了光電材料合成-光電器件制備-光催化性能表征為一體的實驗教學(xué)體系，鍛煉了學(xué)生動手操作能力，提高了學(xué)生分析能力，以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力.培養(yǎng)了學(xué)生的動手、分析、應(yīng)用以及創(chuàng)新等能力.

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