纳米TiO2光催化剂制备工艺条件研究

付　丹

(辽宁石化职业技术学院，辽宁锦州，121001)



科研与开发

纳米TiO2光催化剂制备工艺条件研究

付丹

(辽宁石化职业技术学院，辽宁锦州，121001)

摘要

关键词：TiO2溶胶-凝胶法光催化

自1972年Fujishima和Honda[1]发现在光电池中光辐射TiO2可持续发生水的氧化还原反应以来，世界各国研究人员对纳米TiO2光催化材料开展了广泛研究。纳米TiO2因其廉价、无毒、性质稳定并可以重复使用，在环境污染物治理领域有着明显优势，被称为“环境友好材料”，其可将各种废水中的有机污染物完全矿化为水和二氧化碳等无害物质[2]。本文采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体，以罗丹明B为测试对象，通过对罗丹明B的降解效果寻求最佳制备纳米TiO2的工艺条件。

1实验试剂及仪器

1.1试剂

钛酸四丁酯、罗丹明B、无水乙醇、异丙醇、正丁醇、盐酸、硝酸、醋酸、氨水，均为分析纯。

1.2仪器

DHG-9076A电热恒温鼓风干燥箱，上海圣新科学仪器有限公司；ZD-85空气浴振荡器，常州澳华仪器有限公司；7230G可见分光光度计，上海京工实业有限公司；TDL-5台式离心机，上海安亭科学仪器厂；KSW-416马弗炉，天津中环实验电炉有限公司；79-1磁力加热搅拌器，江苏江阴科研器械厂；254nm，30W紫外灯，上海汇城电子仪器总厂。

2实验方法

2.1溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备纳米TiO2

将一定量钛酸四丁酯加入到盛有某溶剂的烧杯中，得溶液A，不断搅拌。在另外烧杯中加入去离子水和催化剂，得溶液B(通过调节催化剂的量可得出不同pH值的B溶液)。在不断搅拌下将溶液B缓慢滴入溶液A中，继续搅拌得到均匀透明的溶胶，不断搅拌至凝胶，静止陈化数日，于100℃下烘干。将所得产品于马弗炉中500℃热处理2h，于玛瑙研钵中研磨后制得纳米TiO2粉体。

2.2TiO2光催化降解性能测定

以罗丹明B为降解对象，将0.1g样品置于250mL浓度为5mg/L的罗丹明B溶液中，暗态搅拌10分钟以保证粉体与溶液充分接触。将体系置于30w 254nm紫外灯下，保证灯与液面的距离为12cm。于25℃，150r/min条件下磁力搅拌，每1小时取样10mL，离心分离后，采用7230G型可见分光光度计在最大吸收波长554nm处测定罗丹明B溶液的吸光度，根据式(1)计算降解率。考察制备纳米二氧化钛时不同溶剂、催化剂、pH值及陈化时间对TiO2粉体光催化降解性能的影响。

(1)

式中：η——降解率(%)；

A0——罗丹明B溶液的初始吸光度的值；

A——降解过程中罗丹明B溶液的吸光度值。

2.3产品性能表征

采用日本理学公司生产的D/MAX-RC型X射线衍射仪对制备的TiO2晶型进行表征。

3结果与讨论

3.1溶剂的影响

分别以无水乙醇、异丙醇、正丁醇为溶剂，以冰醋酸为催化剂，制得纳米TiO2粉体。对罗丹明B溶液的降解效果如图1所示。可见，以无水乙醇为溶剂时，纳米TiO2粉体光催化降解性能最佳。这可能是由于异丙醇、正丁醇的分子量均比乙醇大，钛酸四丁酯会与其发生螯合作用，抑制了钛酸四丁酯的水解反应。同时螯合作用也会导致粒子的团聚，煅烧后粒子的粒径也随之增加，故光催化活性降低。

3.2催化剂的影响

以无水乙醇为溶剂，考察催化剂为盐酸、硝酸、冰醋酸及氨水时，所制得纳米TiO2粉体对罗丹明B溶液的降解效果。由图2可知，催化剂为醋酸时，罗丹明B溶液的降解率最高，盐酸次之，然后是硝酸，氨水降解效果最差。这可能是由于醋酸不仅作为反应催化剂，同时又起螯合作用，在煅烧过程中，醋酸会缓慢挥发分解，便于形成小颗粒纳米TiO2。而盐酸和硝酸做催化剂时，因这两种酸低温条件下就会挥发，所以煅烧后，颗粒尺寸较大，光催化降解效果随之减小。而以碱性氨水为催化剂时，纳米TiO2颗粒会团聚或为无定型结构，故降解效果很差。

3.3溶液pH值的影响

考察了溶液pH值在2,3,4,5,6,7,8时，二氧化钛对罗丹明B溶液的光催化降解性能。由图3可见，酸性制备条件所得二氧化钛粉体对罗丹明B的降解率明显高于碱性条件，尤其在pH值=2.0时，对罗丹明B溶液的降解效果最佳。这主要是由于溶液pH值对溶胶形成过程有一定影响。pH值较小时，较易形成稳定的Ti4+，凝胶形成时间长，其中钛含量也高，制得样品粒径也较小，故表现出较好的光催化性能。而pH值较大时，溶液中的TiO2+会以TiO(OH)2沉淀形式析出，不利于溶胶的形成[3]。因此，制备纳米TiO2粉体时选择pH值在2～3较好。

3.4陈化时间的影响

图4给出了溶胶陈化0.5、1、2、3、4、5天时，所得纳米TiO2粉体对罗丹明B的降解效果。可见，陈化时间为1天时降解性能最好。这主要是由于增加陈化时间有利于凝胶形成，并使得晶粒变得更加均匀。陈化时间短，晶粒形成不完全。陈化时间过长，会使晶粒长大，故陈化时间过长或过短均会使光催化性能下降。

3.5XRD分析

图5为乙醇为溶剂，冰醋酸为催化剂，pH值为2.5，陈化1天，500℃煅烧2h条件下制得样品粉体的XRD图谱。可知，实验制备的纳米TiO2粉体多为锐钛矿型，同时也有金红石型出现。

4结论

本文所述溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛的最佳工艺条件为：溶剂为无水乙醇、催化剂为醋酸，溶液pH值为2～3，陈化时间为1天。经500℃煅烧2小时后所得纳米TiO2粉体多为锐钛矿型，同时有少量金红石相出现。

参考文献

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

[2] 李静玲,陈友根,陈礼洪．纳米TiO2光催化剂在制药废水中的应用前景[M]．福建工程学院学报,2003,1(1)：93-97.

[3] 刘伟娜,王丽华,陈杰.溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),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.

以钛酸丁酯为主要原料，采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体。以罗丹明B为降解对象，确定制备条件。结果表明：以乙醇为溶剂、醋酸为催化剂、pH值=2～3、陈化时间为1天。通过XRD检测，可知所制得纳米TiO2多为锐钛矿型。