水热法合成TiO2纳米花及其性能

汪鹏生，李德权，李 洋

（安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232000）

水热法合成TiO2纳米花及其性能

汪鹏生，李德权，李 洋

（安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232000）

为了解决一维和二维纳米材料在降解有机污染物时，易发生团聚，催化活性低和难以回收等问题，以钛酸四丁酯和醋酸为原料，采用水热法了合成三维TiO2纳米花。制备地样品TiO2纳米花通过X射线衍射（XRD），透射电子显微镜（TEM），紫外-可见光（UV）分析,表明TiO2纳米花被合成。在可见光的照射下，相比较P25(TiO2粉末)，所合成的TiO2纳米花具有较强的光催化性能。

TiO2；纳米花；水热法

最近,TiO2纳米材料在许多领域中已经受到广泛应用，如光学器件，生物材料，传感器和光催化等[1]。因其具有廉价，无毒，化学稳定性好和其他理想的物理和化学性质[2-5]。然而目前的研究主要集中在一维和二维，它们虽然具有比较大的比表面积，但是随着比表面积的增大会导致发生团聚现象，从而催化效率变低。三维TiO2纳米花是纳米结构，三维TiO2纳米花有利于多次循环使用后的回收利用，并且三维TiO2纳米花特殊的结构能够使污染物与三维TiO2纳米花充分接触[6]。所以三维TiO2纳米花具有很强的光催化性能，能够成为研究的热点。现在人们所研究的三维材料主要是空心球类，而制成花类形状材料大多为ZnO,SnO2等等。对于三维TiO2纳米花很少有报道。

1 实验部分

1.1 三维TiO2纳米花的合成

以钛酸四丁酯和醋酸为原材料，通过水热法合成三维TiO2纳米花。具体操作如下：称量1 mL钛酸四丁酯和25 mL醋酸于烧杯中，超声搅拌50 min，超声搅拌结束后将上述溶液转移到100 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜，将反应釜再置于干燥箱中150℃条件下进行恒温10 h。等自然冷却环境温度后取出，去离子水和无水乙醇分别对反应结束后的混合溶液进行离心清洗多次，清洗结束后放置恒温箱里于75℃条件下干燥10 h，干燥结束后将粉末于退火炉中350℃退火3 h后得到的白色固体粉末即为三维TiO2纳米花。

1.2 样品的表征

样品的晶体结构用X射线粉末衍射仪（XRD）进行分析。样品的特征和结构使用透射电子显微镜（TEM）进行分析。样品的紫外-可见漫反射谱用紫外-可见近红外分光光度计（U-4100）进行表征。

1.3 样品光催化实验

甲基橙（MO）的光催化降解实验在自制的露天反应器中进行。在降解过程中，将样品浸没在含有40 mL MO水溶液（20 mg/L）的烧杯中。在用350 W氙灯照射溶液之前，将溶液搅拌30 min使其染料分子在催化剂表面上能够吸收平衡，并且将溶液与灯的水平面垂直距离固定在10 cm。以10 min的间隔从反应器中取出3 mL溶液。溶液的吸光度在紫外-可见吸收光度计（UV-3200S，MAPADA和分析仪器有限公司，中国上海）464 nm波长下测定。在实验中使用420 nm截止滤光片获得可见光源。

2 结果与讨论

2.1 晶相结构分析

图1给出了样品二氧化钛（TiO2）和样品P25的XRD图谱。对于样品二氧化钛（TiO2），检测到的峰与锐钛矿的标准峰匹配（JCPDS 21-1272），表明制备出了样品二氧化钛（TiO2）[7-8]。由XRD图可以看出，强烈和尖锐的衍射峰表明该产品具有高纯度和良好的结晶度，TiO2纳米花与P25中的TiO2主要以锐钛矿晶型存在[9]。

2.2 微观形貌分析

图2为所制得的样品TiO2纳米花的透视电镜图。由图(a)可以看出,合成的样品TiO2纳米花大小基本一样，半径约为500 nm。从图(b)和图(c)的图像进一步显示出水热法合成的样品TiO2纳米呈现花状结构，形貌完整，无团聚现象。在高倍透射电镜条件下观察我们所选区域如图2(d)所示，能够在电镜下观察到一种晶格条纹，这种晶格条纹的晶格间距大小为0.35 nm，与锐钛矿相TiO2(101)界面是一致的[10]。这与我们所分析的XRD图谱相对应。

图1 样品TiO2纳米花的X射线衍射图谱

图2 样品TiO2纳米花的透视电镜图

2.3 紫外可见漫反射光谱分析

图3为样品TiO2纳米花和P25的紫外-可见漫反射吸收光谱图。与P25相比，样品TiO2纳米花明显地改变了光的吸收性能。分层多孔结构是有利于提高反应物和产物分子流动和转移率。样品TiO2纳米花具有较强的光催化的性能的原因可能是样品TiO2纳米花具有较大的比表面积，能够与反应物进行充分接触，增强了污染物分子的吸收，从而导致提高了光催化性能。因此三维TiO2纳米花光催化性能更好。

2.4 样品的光催化性能分析

图4给出以氙灯作为模拟太阳光源，以甲基橙溶液（MO）为有机污染物来考察样品的光催化性能。从图4可以观察TiO2纳米花在所有时间点上催化效率都是明显超过高于P25，并且在甲基橙溶液（MO）被降解40 min后，TiO2纳米花的降解率依然很高为97%，然而P25降解效率是低于TiO2纳米花的。所以我们所制备的TiO2纳米花光催化性能强。这主要是由于TiO2纳米花是三维花状结构，花状结构的比表面积比普通粒子的比表面积大，比表面积大能够使TiO2纳米花与环境污染物充分接触，使污染物充分被降解，所以TiO2纳米花光催化活性很强[7]。三维TiO2纳米花还有可多次回收利用等优点。

图3 样品TiO2纳米花和P25的紫外-可见漫反射吸收光谱图

图4 样品TiO2和P25在模拟太阳光下降解MO效率曲线

3 结论

通过一种简单的水热法合成了由TiO2颗粒组成的三维TiO2纳米花，这种方法不需要模板，简单可行。所制备的TiO2纳米花类型是锐钛矿，其具有良好的粒子结晶性，TiO2纳米花的大小约为15 nm，TiO2纳米花的比表面积较大，当TiO2纳米花在模拟太阳光照射下降解甲基橙溶液时，40 min后降解率是P25的1倍多，所以所制备的TiO2纳米花有很强的光催化活性。所制备的TiO2纳米花具有一定的局限性，对紫外光的利用率较低，因此后期研究需要通过改性复合等方式从而提高对太阳光利用率，并且使之能够应用于太阳能电池等新型能源领域。

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Hydrothermal synthesis of TiO2nanoflower and its properties

WANG Peng-sheng,LI De-quan,LI Yang
(School of Mechanics and Optoelectronic Physics,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui232000,China)

To slove the problem of agglomeraction,low catalytic and difficulty to recycle and utilize of the one-dimension,two-dimension nanomaterials during the process of degradating organic pollutants,three-dimension TiO2nanoflowers were prepared by hydrothermal synthesis method under tetrabutyl titanate and acetic acid as raw materials.The samples were characterized by X-ray diffraction,transmission electron microscopy,UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy,and the results indicate TiO2{101}nanoflower has been synthesized.The as-prepared TiO2{101}hybrid composites showed better photocatalytic activity under visible-light irradiation than P25(TiO2powder).

TiO2;nanoflowers;hydrothermal method

TQ134文献识别码：A

1004-4329（2017）04-026-03

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2017）04-026-03

2017-08-31

国家自然科学基金（51502005，51602005，11647001，11404005）资助。

汪鹏生（1992－ ），男，硕士生，研究方向：纳米材料。