纳米TiO2的制备及UV／TiO2体系光催化性能研究

李福颖，牛玉，朱启荣，郑建忠，许晴，张天永

（1.三明学院化学与化工应用技术研究所，福建三明365004；2.福州大学化学化工学院，福建福州350108)

纳米TiO2的制备及UV／TiO2体系光催化性能研究

李福颖1,2，牛玉1,2，朱启荣1，郑建忠1，许晴1，张天永1

（1.三明学院化学与化工应用技术研究所，福建三明365004；2.福州大学化学化工学院，福建福州350108)

采用回流沉淀法、微波模板辅助法和水热法分别制备了TiO2纳米颗粒，采用XRD对催化剂进行了表征。考察了不同制备方法的催化剂光催化活性。实验结果表明，3种方法制备的TiO2对甲基橙溶液的光催化降解能力较高，采用微波模板辅助法制备的TiO2催化剂催化活性最高，对甲基橙的降解效果最好。催化剂用量为0.4 g，紫外光照射60 min，浓度为12 mg/L的甲基橙溶液降解率为80％。

TiO2；光催化；回流沉淀法；微波模板辅助法；水热法；甲基橙

纳米TiO2有光催化的作用,紫外光下可产生羟基自由基，能迅速降解水中污染物，并完全分解而对环境无害[1-3]。利用纳米TiO2降解污染物已开展了较多的研究工作，也进行了实际应用的探索[4-7]，但是在废水深度处理中还只是停留在实验室研究阶段。虽然TiO2的催化氧化能力强、光稳定性好，但是存在不易分离和回收困难以及催化剂凝聚和中毒等缺点，造成处理工业废水的成本仍然很高，限制了实际应用范围，所以还没有大规模的工业应用，如何降低TiO2生产成本并提高光催化的效率是解决问题的突破口。在本文中，研究了不同催化剂制备方法，利用X射线衍射仪对其结构进行了表征，并对其单位时间内的光催化效率进行了测试，从而获得一种低成本、高催化效率的纳米TiO2光催化剂。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X′PERT型X射线衍射仪，帕纳科公司；JA2003N电子天平，上海精密科学仪器有限公司；微波反应器，上海康路仪器设备有限公司；数显恒温水浴锅HH-S8，国华电器有限公司；30W紫外灯光管，佛山市南海区联享星华照明电器有限公司；722型分光光度计，上海精密仪器有限公司。

钛酸四丁酯，西陇化工股份有限公司；冰醋酸，西陇化工股份有限公司；甲基橙，上海试剂三厂。以上试剂均为分析纯。无水乙醇，优级纯，广东光华科技股份有限公司。稀盐酸，优级纯；三乙醇胺，化学纯，西陇化工股份有限公司。蒸馏水，自制。

1.2 催化剂的制备

1.2.1 回流沉淀法

准确量取7 mL钛酸四丁酯溶于20 mL无水乙醇中，搅拌下将蒸馏水和乙醇混合液加入其中，并在80℃水浴加热条件下回流3 h，期间不停搅拌,得到白色浑浊溶液，冷却至室温，抽滤，用无水乙醇洗涤，置于105℃下烘干2 h，研磨得到白色粉末。再置于马弗炉中热处理2 h，再次研磨，得到白色TiO2粉体。

1.2.2 微波模板辅助法

量取适量的钛酸四丁脂和三乙醇胺（模板剂），分别溶解于无水乙醇中不断搅拌配成一定浓度的溶液，并于三乙醇胺中加入适量蒸馏水、冰醋酸、适量稀盐酸（pH不超过3）。边搅拌边将三乙醇胺溶液滴入钛酸四丁酯溶液中，全程在微波反应器中加热。反应一段时间后冷却，抽滤，用无水乙醇洗涤，置于105℃下烘干2 h，再置于马弗炉中煅烧3 h，得到白色TiO2粉体。

1.2.3 水热法

将2 mL的三乙醇胺溶解在适量无水乙醇中，溶解完全后加入6 mL钛酸四丁酯，室温下搅拌20 min。将12 mL蒸馏水与4 mL无水乙醇配成溶液，将两种溶液混合并恒温搅拌1 h，之后转移至水热反应釜中，在不同温度下反应一定时间，冷却，分别用乙醇和蒸馏水清洗，抽滤，105℃下烘干，再置于马弗炉中煅烧2 h，得到白色TiO2粉体。

1.3 催化剂表征

催化剂的晶体结构用帕纳科X′PERT型X射线粉末衍射仪测定。

1.4 催化剂活性实验

配置12 mg/L的甲基橙溶液50 mL，置于100 mL烧杯中，加入一定量的TiO2催化剂，紫外灯距离液面15 cm照射(30 W)，磁力搅拌，反应温度控制在室温，60 min后取样，离心分离出上层清液后，在722型分光光度计上，于最大波长462 nm处测其吸光度并计算降解率。

式中：A0，A分别为光照前后染料溶液的吸光度；D为降解率。

2 结果和讨论

2.1 催化剂XRD分析

图1～3分别是回流沉淀法、微波模板法、水热法制得TiO2光催化剂的XRD图谱。由图可以看出衍射峰都表现出锐钛矿相的特征峰，结晶度较好，与锐钛矿TiO2标准卡一致。

图1中，a、b、c、d曲线分别是水与钛酸四丁酯体积比为20、60、80、100，焙烧温度为550℃下制备的TiO2。根据Scherrer[8-9]公式计算5种条件下制得的粒径尺寸分别为29.98、29.4、26.1、26.4 nm。焙烧温度相同时粒径尺寸有减少的趋势，但变化不大。

图2中，a、b、c、d、e曲线分别是微波加热30 min，焙烧温度为500℃，反应抑制剂无水乙醇用量为10、20、30、40、50 mL条件下制备的TiO2，所得样品为锐钛矿结构。根据Scherrer公式计算5种条件下制得的粒径尺寸分别为17.9、15.0、19.4、19.5、22.8 nm。随着反应抑制剂的增加，反应速度下降，使粒径减小，但过量的抑制剂会起到相反的效果。

图3中，a、b、c曲线是在100、120和140℃水热温度下，450℃的焙烧温度下制备的TiO2。从图中可以看出水热温度较高有利锐钛矿结构的形成，通过实验发现，焙烧温度过高锐钛矿会逐渐向金红石转化。根据Scherrer公式计算3种条件下制得的粒径尺寸分别为31.2、32.4、26.7 nm，属于纳米材料，水热温度较高时制得的TiO2粒径尺寸变小。

2.2 光催化性能实验

图4是甲基橙溶液在不同方法制备的催化剂作用下的降解率，催化剂用量为0.4 g。由图4可以看出，不同制备方法所得TiO2的光催化性能不同，其中微波模板法制备的催化剂活性最佳。从图4中可以看出在反应20 min后，甲基橙的降解率均有上升，最高达60％以上，在90 min后降解率达到最大值。微波模板法制备的催化剂相比前两种催化剂有明显的催化效果，在反应60 min后甲基橙的降解率达到了80％，但随着反应进行，降解率上升缓慢，在反应90 min后，降解率达81.31％。综合XRD分析，水热法、回流沉淀法制备的催化剂粒径较大，一定程度上降低了比表面积，影响了催化剂粉体的光催化活性；而微波模板法制备的样品平均粒径较小，提高了它的光催化活性。

图1 回流沉淀法制备TiO2粉末XRD图

图2 微波模板法制备TiO2粉末XRD图

图3 水热法制备TiO2粉末XRD图

图4 不同方法制备的TiO2降解甲基橙实验结果

3 结论

采用回流沉淀法、微波模板法、水热法制得了纳米TiO2，均具有光催化活性。通过XRD分析，光催化剂都表现出锐钛矿相的特征峰，以微波模板法制得的粒径最小。研究结果表明，微波模板法制得的催化剂在反应进行60 min时降解率达80％，光催化活性最高，反应继续进行降解率上升幅度很小。

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Preparation and Photocatalytic Properties of UV/TiO2Research

LI Fu-ying1,2，NIU Yu1,2，ZHU Qi-rong1，ZHENG Jian-zhong1，XU Qing1，ZHANG Tian-yong1
（1.Applied Technology Institute of Chemical and Engineering，Sanming University，Sanming 365004，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108，China)

The nano TiO2was prepared by reflux deposition、microwave-assisted and hydrothermal method,and characterized by XRD.The photocatalytic activities were investigated by the degradation of methyl orange.The results show that the photocatalytic activity of TiO2of the three preparation method is effective.When TiO2was prepared by microwave-assisted method,the photocatalytic activity for the degradation of methyl orange under UV light irradiation,which degradation rate as high as 80％in 60min.

TiO2；photocatalysis；reflux deposition；microwave－assisted；hydrothermal；methyl orange

O643.361

A

1673-4343（2013）02-0058-03

2012-12-20

三明学院科学研究发展基金项目（B0968/Q）；福建省科技计划重大项目（2010H2006）；福建省高校服务海西建设项目（HX200805）；三明学院大学生创新性实验计划项目（ZL1126/CS）

李福颖，女，吉林珲春人，讲师。研究方向：环境化学研究。