TiO2 光催化材料的制備及其性能研究

王艷霞，姚遠(yuǎn)卓，陳明慧，徐雨琦，段靖雅，王圣婕，馮宇揚(yáng)，李鎮(zhèn)昊

（湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，對(duì)化石燃料的需求逐漸增大，但其在地球上的儲(chǔ)量也在不斷降低。由此而來的環(huán)境污染（如有毒物質(zhì)和工業(yè)廢物）和可再生能源資源短缺問題是世界面臨的兩大難題[1-2]。所以，開發(fā)環(huán)境友好、清潔、安全和可持續(xù)的能源技術(shù)是當(dāng)今研究人員面臨的最緊迫的挑戰(zhàn)之一[3]。近些年來，各種各樣的光催化劑如TiO2[4]、BiVO4[5]、MoS2[6]、CdS[7]、g-C3N4[8]等受到廣泛的關(guān)注。TiO2由于其化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒、成本低等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，成為研究最廣且應(yīng)用最多的光催化材料。

在光照作用下，二氧化鈦納米顆粒會(huì)將有機(jī)污染物分解成二氧化碳以及水等無(wú)污染的物質(zhì)，這就讓二氧化鈦納米顆粒在環(huán)境治理上將有較大的作用，它的優(yōu)勢(shì)在于不會(huì)產(chǎn)生二次污染物，充分利用太陽(yáng)光能來做能源，成本也很低[12]。

本文采用水熱法制備了光催化性能良好的TiO2，同時(shí)探究了水熱溫度對(duì)TiO2光催化性能的影響，并用XRD與SEM 對(duì)其進(jìn)行表征，獲得了比較好的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所使用的化學(xué)試劑包括鈦源，結(jié)構(gòu)調(diào)整劑等，由表1 分類列出：

表1 實(shí)驗(yàn)化學(xué)試劑

1.2 二氧化鈦的制備

取50mL 的無(wú)水乙醇置于燒杯中，再加入4mL 的鈦酸四丁酯，混合后常溫下攪拌30 分鐘，再加入1mL 的去離子水，繼續(xù)攪拌30min。隨后停止攪拌，靜置2h，最后再離心。醇洗，水洗2 次，置于恒溫干燥箱干燥12h，取出研磨，最后得到二氧化鈦白色粉體。分別取4 組0.5g 的二氧化鈦顆粒分別在110℃、130℃、150℃、170℃下進(jìn)行水熱處理24h，接著用XRD 和SEM 進(jìn)行表征。

1.3 樣品表征

通過SU8010 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM，日本Hitachi公司）對(duì)樣品的形貌特征及大小進(jìn)行觀察。測(cè)試時(shí)，將所測(cè)粉體制成無(wú)水乙醇的懸浮液，滴在涂有碳膠的銅質(zhì)樣品臺(tái)上，待懸浮液中的無(wú)水酒精在室溫下?lián)]發(fā)干燥，然后進(jìn)行測(cè)樣。

通過Empyrean X 射線衍射儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行性能測(cè)試，利用X 射線在晶體中產(chǎn)生衍射和散射，用來檢測(cè)晶體物相組成、晶體內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)完整性。

圖1 不同水熱溫度（（a）無(wú)水熱；（b）110℃；（c）130℃；（d）150℃；（e）170℃）下樣品的SEM 圖

1.4 催化劑的評(píng)價(jià)

對(duì)樣品進(jìn)行光降解測(cè)試。降解物為20mg/L 的甲基橙水溶液，將150mL 甲基橙水溶液加入光催化反應(yīng)儀中，然后稱取0.15g 的光催化劑樣品加入到甲基橙水溶液中。先在封閉反應(yīng)器暗箱中做30min 暗吸附并測(cè)定其吸光度，達(dá)到吸脫附平衡后利用300W 氙燈光源（北京中教金源科技有限公司）模擬太陽(yáng)光照射90min 進(jìn)行光降解測(cè)試，每15min 取一次樣，離心并取上清液用紫外-可見光分光光度計(jì)（上海美析儀器有限公司）測(cè)試吸光度。通過公式（1）計(jì)算光催化劑在可見光下對(duì)甲基橙的降解率D。

其中A0為暗吸附后體系達(dá)到平衡的吸光度，Ai為定時(shí)取樣測(cè)定甲基橙廢水的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 光催化劑的形貌結(jié)構(gòu)

2.1.1 微觀形貌

圖1 為樣品的掃描電鏡圖。（a）為原始樣品，未經(jīng)過水熱處理，可以看出顆粒大小不均勻，有輕微團(tuán)聚。（b）為水熱110℃的樣品，顆粒尺寸較均一，分散性較好，樣品表面有明顯的顆粒感。（c）中樣品與（b）相比顆粒尺寸均一性不好，其他特點(diǎn)相近。（d）中樣品的成型不太好，形狀不是很規(guī)則。（e）中樣品與（d）中類似，但比其規(guī)整。綜上，110℃水熱下的樣品形貌最好。

2.1.2 晶型結(jié)構(gòu)

圖2 為所制備二氧化鈦納米顆粒的樣品XRD 圖。從圖中我們可以看到四種不同溫度下，當(dāng)樣品2θ=27.45°時(shí)衍射峰最為明顯，當(dāng)2θ 為36.84°、42.58°、55.41°、70.24°時(shí)，衍射峰晶面為（101）、（111）、（211）、（301），通過這四組衍射峰發(fā)現(xiàn)四種溫度下的衍射峰都基本一致，且隨溫度升高樣品衍射峰也越來越明顯。通過物相分析，我們可以看出樣品中主要晶相都是金紅石晶型二氧化鈦，在110℃條件下，TiO2的衍射峰最強(qiáng)，樣品純度最高。

2.2 光催化降解甲基橙

當(dāng)原料在水熱溫度110℃，時(shí)間24h 時(shí)，形貌最好，其中的TiO2顆粒最均一，此樣品的光降解性能也是最好。圖3 為在可見光下5 種樣品對(duì)甲基橙溶液光催化降解圖，該圖顯示了在30min 暗吸附結(jié)束后加入TiO2納米片光催化材料0.15g，在300W 氙燈模擬自然光照射不同時(shí)間的甲基橙溶液的光降解圖（初始濃度為20mg/L，體積為150mL）。甲基橙的典型吸收峰在465nm 處。在照射過程中，甲基橙溶液顏色隨著反應(yīng)時(shí)間的增加逐漸變淺。由圖3 可以看出110℃水熱下的樣品的光催化降解效果最好，可以達(dá)到85.7%。

圖2 不同水熱溫度（（a）110℃；（b）130℃；（c）150℃；（d）170℃）下樣品的SEM 圖

圖3 可見光照射60min 樣品對(duì)甲基橙溶液的光降解曲線

3 結(jié)論

通過水熱法，以鈦酸四丁酯和乙醇為原料，調(diào)整水熱時(shí)間，制備出有較強(qiáng)光降解效果的二氧化鈦。最終發(fā)現(xiàn)在水熱溫度為110℃時(shí)，形貌最好，且光催化降解效率最高。