中南大学液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究VIP免费

液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究（中南大学化学化工学院，湖南长沙，410083）摘要：本文以TiCl4作为主要原料，采用液相水解法制备出了纳米TiO2，通过ZnO掺杂研究了掺杂对其性能的影响，并研究了制得的纳米TiO2对对硝基苯胺和甲基橙的光降解能力。关键词：纳米TiO2液相水解光催化前言纳米TiO2是一种新型的光催化剂，有较好的光催化活性，一般为白色或透明状的颗粒，有3种晶型，即金红石、锐钛矿和板钛矿结构，其中金红石和锐钛矿属于四方晶系。纳米TiO2具有化学性能稳定，常温下几乎不与其它化合物反应，且具有生物惰性。同时其价格便宜、来源广因为广泛用于环境污染治理、有机农药降解等领域。在这方面有着诸多的实验研究。[1,4,5]纳米TiO2是一种典型半导体材料，禁带宽度较宽，其中锐钛矿为3.2ev，金红石为3.0ev，当它吸收了波长小于或者等于387.5nm的光子后，价带中的电子就会被激发到导带，形成带负电的高活性电子e-，同时在价带上产生带正电荷的空穴h+，吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成，而空穴则将吸附在TiO2表面OH-和H2O氧化成·OH。反应生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性，能分解有毒的无机化合物、降解大多数有机物。特别是原子氧能与多数有机物反应（氧化反应），同时能与细菌内的有机物反应，生成CO2、H2O及一些简单的无机物，从而杀死细菌，清除恶臭和油污。实验证明，纳米TiO2能处理80多种有毒化合物及细菌，包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、防腐剂、油污以及对人体有害的细菌等。其作用机理可以用以下反应式说明:R-C2H5+2·OH→R-C2H4OH+H2O(1)R-C2H4OH+O2→R-C2H3O+H2O(2)R-C2H3O+O2→R-CH2COOH+H2O(3)R-CH2COOH→R-CH3+CO2..(4)每降解一个碳原子,生成一个CO2,重复往复直到脂肪族有机物完全转化为CO2为止。光降解有机物的示意图1所示：图1TiO2对有机物的光氧化原理纳米TiO2的制备方法很多，有化学沉淀法、热分解法、高温固相反应法、溶胶－凝胶法、气相沉积法、水热法等。本实验采用液相水解法制备纳米TiO2粉体，并对其进行结构、性能表征。以对硝基苯胺的光催化降解为模型反应,考察所制备的TiO2纳米晶的光催化活性。1实验1.1仪器与试剂a.主要仪器：高压汞灯，电磁搅拌器，鼓风式恒温干燥箱（0-300℃），马弗炉，电子天平。b.主要试剂：四氯化钛，乙醇，对硝基苯胺（以上试剂均为分析纯），氨水，蒸馏水等。1.2纳米TiO2的制备本实验采用液相水解法制备TiO2粉体，共分为两种途径，具体如下：1.2.1取适量的TiCl4与蒸馏水反应，反应完成后，用1M氨水调pH值到6.0，得到白色TiO2胶体。对胶体减压过滤，用去离子水洗涤滤饼，脱去其中的Cl-（至用AgNO3检测不出），分别移入500℃马弗炉中进行热处理2小时，得到TiO2颗粒。1.2.2取适量的TiCl4与蒸馏水反应，反应完成后用10MKOH调pH值到≤2得乳白色胶状物。将溶液移入放入衬有聚四氟乙烯的高压反应器中，在180℃下水热反应2h,反应完后离心,滤饼分别用蒸馏水和乙醇洗涤后在80～100℃下干燥得产物。将产物移入500℃马弗炉中进行热处理4小时，得到不同晶相的TiO2颗粒。1.2.3掺杂TiO2粉体的制备在TiO2粉体中掺入摩尔比为5%的ZnO,具体合成方法按方法一进行，即TiCl4与适量的ZnSO4溶液反应，后续步骤相同。1.3TiO2催化性能测试1.3.1称取0.2g催化剂于150ml的对硝基苯胺水溶液（50mg/L）混合，搅拌20min后将反应液移入紫外反应箱中，然后打开紫外灯照射；在催化反应一定时间间隔（20min,40min,60min,80min,100min,120min）内取样，样品在分析前离心分离10min,上层滤液用0.2um滤膜过滤，使用722型分光光度计在460nm处测其吸光度,根据吸光度计算样品中对硝基苯胺的浓度。催化剂的光催化活性以对硝基苯胺的相对浓度表示C/C0，其中分别是光照前后的浓度。反应溶液吸收光谱随时间的变化如图2所示。1.3.2配制28mg/L的甲基橙溶液作为光降解液,调节pH值为6.86,搅拌20min后将此甲基橙溶液移入紫外反应箱中，然后打开紫外灯照射；在催化反应一定时间间隔（20min,40min,60min,80min,100min,120min）内取样，样品在分析前离心分离10min,上层滤液用0.2µm滤膜过滤，使用722型分光光度计在460nm处测其吸光度,通过测定甲基橙浓度的...