纳米TiO2制备及光催化学生创新实验

田　文，蒋　炜，余　徽

(四川大学　化学工程学院，成都　610065)



纳米TiO2制备及光催化学生创新实验

田文，蒋炜，余徽

(四川大学化学工程学院，成都610065)

针对目前本科实验教学计划，学院化学工程与工艺专业实验室开设创新性实验，以纳米二氧化钛(TiO2)光催化剂的制备、表征和性能评价作为试点实验。学生通过查阅文献资料，制订不同的实验方案制备纳米二氧化钛光催化剂，掌握了表征该催化剂及评价该催化剂性能的方法。通过该实验，学生的文献调研能力、实验设计能力和实验组织能力得到有效提高；通过对实验结果的对比、讨论和分析，提高了学生发现问题及解决问题的能力，实现了创新性实验的教学目的。

创新实验；二氧化钛；光催化剂；实验方案

自1972年文献[1]首次在半导体TiO2电极上实现了光裂解水以来，TiO2半导体光催化剂的研究和应用成为能源和环境领域的一个热点。TiO2具有化学稳定性高、光催化性能好、可循环利用、来源丰富、无毒价廉等优点[2]。TiO2的制备方法[3]包括化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、反相胶团法、气相法等，通过不同的掺杂改性方法如贵金属沉积、离子掺杂、有机染料光敏化以及半导体复合等可进一步提高其光催化性能和调控可利用光区[4]；同时，TiO2可降解如有机染料、有害气体、酚类、噻吩等各种有机污染物，可选择处理对象丰富[5]。

四川大学化学工程学院化学工程与工艺专业实验在现有专业基础实验和综合实验的基础上，选择以纳米TiO2光催化剂的制备与应用作为创新实验题材，促使学生通过查阅文献，自行设计催化剂制备方案，自主选择光催化处理对象，通过与教师讨论确定具体方案后，独立搭建设备完成TiO2光催化剂的制备、表征和性能评价工作。四川大学化工学院公用仪器开放平台的比表面积分析仪、纳米激光粒度仪、紫外可见分光光度计、傅立叶红外光谱仪、单色光源等仪器设备，为学生对光催化剂的表征和性能评价方案的制定提供了充足的灵活性，为强调创新性、自主性的教学目标提供了坚实的设备基础。

自2013年开设“纳米二氧化钛光催化剂的合成及其光催化性能评价”创新性实验以来，已完成了对两届学生的培养与指导，达到了让学生了解和掌握光催化过程原理和技术，培养学生自行设计实验、分析实验结果的能力的预设目标。本文选取3组学生实验作为样本，根据纳米TiO2光催化剂制备方法到其表征及性能评价的实验过程的分析，对该创新型实验在方案设计、实施和结果讨论上的异同进行对比，讨论创新性实验模式对实现化学工程与工艺专业实验培养目标的应用特点。

1　材料与仪器

1.1材料

1.2仪器

ASS 3500型比表面积分析仪(北京彼奥德电子科技有限公司)；Rise-2002激光粒度仪(湖南润之科技有限公司)；Alpha-1506紫外可见分光光度计(上海谱元仪器有限公司)；XRF-1800 X射线荧光光谱(日本岛津制作所)。

2　实验方法

2.1溶胶-凝胶法

TiO2溶胶凝胶法的制备主要包括水解缩合和凝结两部分：缩合是将溶质分子或离子缩合为大分子聚合物即胶粒的过程，这些胶粒分散在介质中称为溶胶；在一定条件下胶粒聚集、合并并转化成湿凝胶称为凝结。实验步骤:取10 mL钛酸丁酯缓慢加入35 mL无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌10 min，得到淡黄色溶液1；将2 mL硝酸和10 ml去离子水加35 mL的无水乙醇中，搅拌均匀得到溶液2；在磁力搅拌下将溶液2缓慢滴加到溶液1中得到白色溶胶；静置陈化3 h后得到略带透明的凝胶；将凝胶置于90 ℃烘箱内烘干后放入坩埚中，在400～500 ℃条件下煅烧3 h后取出，得到白色TiO2颗粒。

2.2水解法

水解法以TiCl4或Ti(SO4)2等无机钛盐为原料，加入氨水、碳酸铵或NaOH等碱类物质，生成无定形的Ti(OH)4，将生成的沉淀过滤、洗涤、干燥后，经过煅烧得到TiO2粉体。实验步骤:将10 mL四氯化钛缓慢加入30 mL无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌10 min，得到溶液3，控制水浴温度70 ℃；量取5 ml氨水，充分搅拌下加入溶液1中，逐渐得到白色沉淀；过滤后置于烘箱中90 ℃干燥，粉末于400～500 ℃条件下煅烧3 h后取出，得到TiO2颗粒。

2.3阳极氧化法

实验步骤:取1 cm×3 cm的钛片，用砂纸物理抛光；再用丙酮进行化学抛光；将抛光的钛片接入电极，并放入盛有电解液氟化氢的电解槽中，将电解槽放入25 ℃恒温水浴中；接通电流，开始进行阳极氧化，该过程中不断搅拌电解液使传质均匀，断电后取出钛片，用刀刮下表面白色粉末，干燥、煅烧得到TiO2颗粒。

3　实验结果及讨论

3.1TiO2的比表面积测定

采用ASS 3500型比表面积分析仪对溶胶凝胶法制备的二氧化钛进行比表面积测定。首先标定一定质量标准样品的吸附面积，然后测量待测样品的吸附面积，通过公式计算得到待测样品比表面积:

通过检测得到0.15～0.25 mm TiO2颗粒的比表面积:

S=6.745 m2/g

3.2TiO2的粒度分布测定

利用激光粒度仪对水解法制备的TiO2进行粒度分析，实验结果如图1所示，通过计算得到平均粒度d=123.4 μm。

图1　TiO2粒度分布

3.3二氧化钛的X射线荧光光谱的测定

利用X射线荧光光谱对阳极氧化制备TiO2进行分析，结果如表1所示。

表1　TiO2样品的元素含量

3.4甲基橙溶液、罗丹明B溶液、苯酚溶液的标准曲线配制

分别配置不同浓度的甲基橙溶液、罗丹明B溶液、苯酚溶液；用紫外可见分光光度计全谱扫描，测得不同浓度下溶液的吸光度作为标准曲线。结果如图2所示:甲基橙溶液、罗丹明B溶液、苯酚溶液浓度和吸光度成良好的线性关系，R2分别为0.99428、 0.99815、 0.99729。

图2　甲基橙溶液、罗丹明B溶液、苯酚溶液的标准曲线

3.5TiO2光催化活性检测

分别称取溶胶凝胶法、水解法、阳极氧化法制备的TiO20.05 g于试管中，标记为试管(1)，(2)，(3)，再分别量取10 mL甲基橙溶液(16 mg/L)、罗丹明B溶液(6.0 mg/L)、苯酚溶液(50 mg/L)，加入对应试管中，将试管放入光反应器中进行光降解试验，各样品选取相等的时间间隔取样，所取溶液用离心机离心后取上层清液用紫外分光光度计分析吸光度值。实验结果如表2所示；利用吸光度与各溶液标准曲线绘制转化率曲线，结果如图3所示。

图3　溶液降解率随时间的变化关系

在实验过程中，同学们可能因为各种各样的操作失误或设计缺陷导致实验的重复或无法正常进行，对于这些原因，可以通过组织学生进行实验后的分析讨论课进行总结，完善学生对实验的理解，增强他们的总结能力和科研思考能力。比如，以溶胶凝胶法制备TiO2时酞酸丁酯非常容易水解，如果实验容器不干燥会引起酞酸丁酯水解产生Ti(OH)4沉淀，因此要保证所用仪器绝对干燥；在滴加混合溶液过程中必须剧烈搅拌溶液，防止溶胶形成的过程中产生沉淀；在进行光催化实验时，要把通气管路固定住，防止光解过程中因通气不畅导致TiO2沉在底部等。

4　结束语

通过对比学生实验结果，证明了创新性实验自由设计实验方案的可行性。每组学生通过查阅资料制定了不同的实验路线和表征方法，其文献调研能

力、实验设计能力和实验组织能力得到有效提高，同时也对分析仪器的原理及操作进行了学习，实现了建设创新实验的目的。

[1]FUJISHIMA A，HONDA K.Electrochemical photolysis of water at semiconductor electrode[J].Nature，1976，238:37-38.

[2] 田娜，龙浩，赵增迎.纳米TiO2光催化性能研究进展及其影响因素探讨[J].山西建筑，2012，38(17):132-133.

[3] 赵小远.纳米TiO2的制备及其应用[J].稀有金属与硬质合金，2003，1(31):25-27.

[4] 白蕊，李巧玲，李建强，等.纳米TiO2掺杂改性及应用的研究进展，2010，5(31):24-27.

[5] 孙凤英，马春磊.纳米TiO2光催化材料及其在净化大气污染中的应用[J].森林工程，2007，5(23):19-21.

Innovation Experiment of TiO2Preperation and ItsPhotocatalyst Performance for Undergraduate

TIAN Wen，JIANG Wei，YU Hui

(College of Chemical Engineering，Si Chuan University，Chengdu 610065，China)

Innovative experiments are offered in chemical engineering and Technology Specialty Laboratory according to current syllabus of experiments for undergraduates.Preparation，characterization and performance evaluation of nano TiO2photocatalyst are chosen as the first innovative experiment.During this experiment，students developed different experimental routes to prepare nano TiO2photocatalyst after a review of related literature，and they grasped different methods to characterize the prepared photocatalyst and evaluate its performance.The students’ abilities on literature research，experimental design and organization have been improved.In addition，the ability of students’ problem finding and solving skills has been practiced by comparison，discussion and analysis of the experiment，which achieved the purpose to offer innovative experiments.

innovative experiment; TiO2; photocatalyst

2015-01-11；修改日期: 2015-06-29

田文(1987-)，女，硕士生，实验师，主要从事实验教学工作与研究。

G642.423；O6-3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.009