TiO2 光催化材料的制备及其性能研究

2021-03-15王艳霞姚远卓陈明慧徐雨琦段靖雅王圣婕冯宇扬李镇昊

科技创新与应用 2021年10期

王艳霞，姚远卓，陈明慧，徐雨琦，段靖雅，王圣婕，冯宇扬，李镇昊

（湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北武汉430068）

引言

随着社会的高速发展，对化石燃料的需求逐渐增大，但其在地球上的储量也在不断降低。由此而来的环境污染（如有毒物质和工业废物）和可再生能源资源短缺问题是世界面临的两大难题[1-2]。所以，开发环境友好、清洁、安全和可持续的能源技术是当今研究人员面临的最紧迫的挑战之一[3]。近些年来，各种各样的光催化剂如TiO2[4]、BiVO4[5]、MoS2[6]、CdS[7]、g-C3N4[8]等受到广泛的关注。TiO2由于其化学稳定性好、无毒、成本低等优点[9-11]，成为研究最广且应用最多的光催化材料。

在光照作用下，二氧化钛纳米颗粒会将有机污染物分解成二氧化碳以及水等无污染的物质，这就让二氧化钛纳米颗粒在环境治理上将有较大的作用，它的优势在于不会产生二次污染物，充分利用太阳光能来做能源，成本也很低[12]。

本文采用水热法制备了光催化性能良好的TiO2，同时探究了水热温度对TiO2光催化性能的影响，并用XRD与SEM 对其进行表征，获得了比较好的结果。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验所使用的化学试剂包括钛源，结构调整剂等，由表1 分类列出：

表1 实验化学试剂

1.2 二氧化钛的制备

取50mL 的无水乙醇置于烧杯中，再加入4mL 的钛酸四丁酯，混合后常温下搅拌30 分钟，再加入1mL 的去离子水，继续搅拌30min。随后停止搅拌，静置2h，最后再离心。醇洗，水洗2 次，置于恒温干燥箱干燥12h，取出研磨，最后得到二氧化钛白色粉体。分别取4 组0.5g 的二氧化钛颗粒分别在110℃、130℃、150℃、170℃下进行水热处理24h，接着用XRD 和SEM 进行表征。

1.3 样品表征

通过SU8010 型场发射扫描电镜（SEM，日本Hitachi公司）对样品的形貌特征及大小进行观察。测试时，将所测粉体制成无水乙醇的悬浮液，滴在涂有碳胶的铜质样品台上，待悬浮液中的无水酒精在室温下挥发干燥，然后进行测样。

通过Empyrean X 射线衍射仪对产物进行性能测试，利用X 射线在晶体中产生衍射和散射，用来检测晶体物相组成、晶体内部原子结构、晶体结构完整性。

图1 不同水热温度（（a）无水热；（b）110℃；（c）130℃；（d）150℃；（e）170℃）下样品的SEM 图

1.4 催化剂的评价

对样品进行光降解测试。降解物为20mg/L 的甲基橙水溶液，将150mL 甲基橙水溶液加入光催化反应仪中，然后称取0.15g 的光催化剂样品加入到甲基橙水溶液中。先在封闭反应器暗箱中做30min 暗吸附并测定其吸光度，达到吸脱附平衡后利用300W 氙灯光源（北京中教金源科技有限公司）模拟太阳光照射90min 进行光降解测试，每15min 取一次样，离心并取上清液用紫外-可见光分光光度计（上海美析仪器有限公司）测试吸光度。通过公式（1）计算光催化剂在可见光下对甲基橙的降解率D。

其中A0为暗吸附后体系达到平衡的吸光度，Ai为定时取样测定甲基橙废水的吸光度。

2 结果与讨论

2.1 光催化剂的形貌结构

2.1.1 微观形貌

图1 为样品的扫描电镜图。（a）为原始样品，未经过水热处理，可以看出颗粒大小不均匀，有轻微团聚。（b）为水热110℃的样品，颗粒尺寸较均一，分散性较好，样品表面有明显的颗粒感。（c）中样品与（b）相比颗粒尺寸均一性不好，其他特点相近。（d）中样品的成型不太好，形状不是很规则。（e）中样品与（d）中类似，但比其规整。综上，110℃水热下的样品形貌最好。

2.1.2 晶型结构

图2 为所制备二氧化钛纳米颗粒的样品XRD 图。从图中我们可以看到四种不同温度下，当样品2θ=27.45°时衍射峰最为明显，当2θ 为36.84°、42.58°、55.41°、70.24°时，衍射峰晶面为（101）、（111）、（211）、（301），通过这四组衍射峰发现四种温度下的衍射峰都基本一致，且随温度升高样品衍射峰也越来越明显。通过物相分析，我们可以看出样品中主要晶相都是金红石晶型二氧化钛，在110℃条件下，TiO2的衍射峰最强，样品纯度最高。

2.2 光催化降解甲基橙

当原料在水热温度110℃，时间24h 时，形貌最好，其中的TiO2颗粒最均一，此样品的光降解性能也是最好。图3 为在可见光下5 种样品对甲基橙溶液光催化降解图，该图显示了在30min 暗吸附结束后加入TiO2纳米片光催化材料0.15g，在300W 氙灯模拟自然光照射不同时间的甲基橙溶液的光降解图（初始浓度为20mg/L，体积为150mL）。甲基橙的典型吸收峰在465nm 处。在照射过程中，甲基橙溶液颜色随着反应时间的增加逐渐变浅。由图3 可以看出110℃水热下的样品的光催化降解效果最好，可以达到85.7%。