室温合成介孔二氧化钛-main

合集下载

介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用

1、在光催化领域,介孔二氧化钛由于其高表面积和大孔体积,可以提供丰 富的活性中心,同时其分级介孔结构有利于光在材料中的传播和吸收。因此,介 孔二氧化钛在光催化分解水制氢、光催化降解有机物等领域具有优异的表现。
2、在光电转换领域,介孔二氧化钛同样具有高表面积和大孔体积,可以增 加光吸收和载流子的分离效率。此外,其分级介孔结构还可以提高电荷的传输效 率,从而增强光电性能。
参考内容二
引言
二氧化钛(TiO2)是一种常用的光催化材料,其在光催化降解有机物、光解 水制氢等领域具有广泛的应用。然而,传统的二氧化钛粉末制备过程复杂,且光 催化性能受到比表面积和孔结构的限制。因此,制备具有高比表面积、有序介孔 结构的二氧化钛材料对于提高其光催化性能具有重要意义。本次演示将介绍一种 制备介孔二氧化钛材料的方法,并对其光催化性能进行研究。
引言
介孔二氧化钛是一种具有纳米级孔洞结构的新型功能材料,由于其具有优异 的物理化学性能和广泛的应用前景,受到了人们的广泛。介孔二氧化钛在光学、 电化学、材料科学等领域具有重要的应用价值,尤其是在光催化、能源储存与转 化、环境保护、生物医学等领域具有广泛的应用前景。本次演示将重点探讨介孔 二氧化钛的合成方法及其在各领域的应用,并展望未来的发展方向和挑战。
谢谢观看
不同合成方法的优缺点各不相同,选择合适的合成方法需要考虑到实验条件、 制备成本和实际应用需求等因素。
介孔二氧化钛的应用
介孔二氧化钛具有高度有序的孔洞结构和优异的物理化学性能,因此在光学、 电化学、材料科学等领域展现出广泛的应用前景。
在光学领域,介孔二氧化钛可以作为光催化材料用于降解有机污染物。其高 度有序的孔洞结构有利于光线的吸收和传播,从而提高光催化效率。此外,介孔 二氧化钛还可以应用于太阳能电池,由于其具有高比表面积和良好的透光性,可 以有效地提高电池的光电转换效率。

介孔二氧化钛的制备

介孔二氧化钛的制备

KIT-6模板
Ti(OPr)4+乙醇
6g P123+217g 去离子水 +11.8g 35% HCl在35℃搅
水解(室温)
85 ℃干燥去除乙醇
拌1h后,加入6g丁醇再搅
750 ℃煅烧
拌1h,随后加12.9gTEOS,
TiO2/KIT-6
搅拌24h,在120℃静置24h, 2 M NaOH 搅拌、离心
干燥
烧结
(70 ℃ ) (500 ℃ )
CMS
Chem. Mater. 2007, 19, 937-941
介孔TiO2合成—硬模板法
KRICT-MT具有 良好的热稳定性
Chem. Mater. 2007, 19, 937-941
介孔TiO2合成—硬模板法
Feng等人用钛醇盐和KIT-6合成了介孔锐钛矿TiO2晶体
a.前驱体溶液:430 mg TiCl4, 350 mg H2O和8.0 g乙醇; b.在前驱体中加入PIB85-PEO79共聚(95mg聚合物和3.0g乙醇)
搅拌1h;
c.控制6 mm s-1的固定速度旋涂,同时控制湿度在10-20%,
放置在60度保持12h;
d.把干燥好的样品先加热到300°保温1h,后在450°煅烧1h
典型的EISA法合成介孔二氧化钛薄膜材料步骤
(1)准备含有钛前驱体和有机物模 板的酸性乙醇水溶液
(2)沉淀以获得介孔结构的二氧化 钛混合物薄膜
(3)薄膜受湿度和老化过程的影响, 促进了钛和模板的协作组装从而形 成强健,高度有序的介孔结构
(4)温度在300度以上焙烧使模板彻 底移去从而得到介孔二氧化钛薄膜
纳米管阵列—与二维介孔材料的结构相似
Enhanced Photocleavage of Water Using Titania Nanotube Arrays

介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用摘要介孔二氧化钛是一种多孔材料,它具有巨大的比表面积,发达的孔道结构,因而在光电转换领域,光催化降解,光催化制氢等环境能源领域表现广泛的应用前景而备受瞩目。

目前,国内外对制备介孔二氧化钛材料的方法的研究主要集中在模板法制备,此外,还有非模板法等方法也有研究。

关键词介孔二氧化钛,光催化,模板法1 前言多孔材料,因具有空旷结构和巨大的表面积,而被广泛应用于催化剂和吸附载体。

按孔径的大小,多孔材料可分为:微孔材料(孔径<2nm),介孔材料(孔径2~50nm),大孔材料(孔径50nm~1μm)和宏孔材料(孔径>1μm)等。

按材料的结构特征,多孔材料又可以分为三类:无定形、次晶和晶体。

介孔材料因孔径范围较大,存在着孔道形状不规则、孔径尺寸分布范围大等优点,是良好的催化剂载体[1]。

介孔TiO2包括有序、无序两大类,其中有序介孔材料又分为纳米量级和宏观尺度两类。

因其具有高比表面积,发达有序的孔道结构,孔径尺寸在一定范围内可调,表面易于改性等特点,可以有效地增强TiO2光催化、光电转换等功能,使其在水处理、空气净化、太阳能电池、纳米材料微反应器、生物材料等方面表现出广阔的应用前景而备受瞩目。

为科学家从微观角度研究纳米材料的尺寸效应、表面效应及量子效应等性能提供了物质基础[2]。

2 影响介孔材料孔径大小的因素介孔材料的合成过程中一个关键参数是孔径大小及尺寸分布,孔径大小的控制及影响因素一般包括以下几个方面[2]。

1) 表面活性剂碳链的长度,孔径大小的粗略控制可通过调节表面活性剂的碳链长度来达到。

因为表面活性剂的碳链越长,形成棒状胶束时直径越大,若碳链大于l8,表面活性剂溶解度下降,故较少用于介孔材料的制备。

2) 辅助有机物的添加,通过添加憎水性有机物,可将辅助有机物进入表面活性剂胶束的憎水基团内部,使胶束的直径变大,达到增加介孔材料尺寸的目的。

此类有机物一般包括饱和链烷烃、芳香烃、醇类。

制备二氧化钛的方法

制备二氧化钛的方法

制备二氧化钛的方法二氧化钛是一种常见的无机化合物,具有广泛的应用领域,如光催化、电化学能量存储、太阳能电池等。

下面将介绍几种常见的制备二氧化钛的方法。

1. 水热法水热法是一种常用的制备二氧化钛纳米颗粒的方法。

首先,在适量的水溶液中加入一定量的钛源溶液,如钛酸四丁酯或钛酸乙酯。

然后,在一定的温度和压力条件下,用水热的方式来催化反应。

在水热过程中,钛源溶液中的钛离子会和主要来源于水中的氧离子反应,生成二氧化钛颗粒。

通过控制反应条件,如温度和时间,可以调控二氧化钛颗粒的形貌和尺寸。

2. 水热法结合模板法这种方法是将模板剂(如有机物或无机物)引入到水热法中,通过模板引导的方式来控制二氧化钛颗粒的形貌和结构。

一种常见的方法是将正硅酸乙酯(TEOS)作为模板剂加入到钛源溶液中,然后进行水热反应。

在反应过程中,TEOS会在水热环境中水解,形成为纳米级的硅凝胶。

接着,钛源溶液中的钛离子与产生的硅凝胶发生反应,生成二氧化钛-硅复合物。

最后,通过高温煅烧去除模板剂和硅凝胶,得到纳米级的二氧化钛颗粒。

3. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种常用的制备二氧化钛薄膜和多孔薄膜的方法。

首先,将钛源溶解在适当的溶剂中,形成溶胶。

然后,在适当的条件下,如酸碱调节和加热,溶胶会缓慢地凝胶化,形成凝胶体。

接着,将凝胶体进行干燥或煅烧处理,使其转变为二氧化钛薄膜。

通过控制不同的参数,如溶胶浓度、酸碱性和煅烧温度,可以调控制备的二氧化钛薄膜的特性,如孔径大小和表面形貌。

4. 水热氧化法水热氧化法是一种以水和氧为反应物的方法来制备二氧化钛。

首先,将钛源溶解在水中,形成钛酸溶液。

然后,将该溶液置于高温高压的水热反应器中,进行水热氧化反应。

在反应过程中,钛酸溶液中的钛离子会与水中的氧反应,生成二氧化钛。

这种方法相比于传统的煅烧法,具有低温、快速和环境友好的优点。

总结起来,制备二氧化钛的方法有水热法、水热法结合模板法、溶胶-凝胶法和水热氧化法等。

室温水解法制备介孔二氧化钛的表征及应用

室温水解法制备介孔二氧化钛的表征及应用
收稿日期 : 2004 08 01; 修回日期 : 2004 09 08. 通讯联系人 : 罗来涛 , E mail: luolaitao@ 163. com. 作者简介 : 张雪红 ( 1973 ) , 女 , 讲师 , 南昌大学在读博士 , 主要从事催化材料研究 . 通 讯联系人 , E mail: zxh114079 @ sina. com .
第 23 卷 第 1 期 2005 年 1 月
Байду номын сангаас
感 光 科 学 与 光 化 学
Pho tog raphic Science and P hotochemistr y
Vo l. 23 N o. 1 Jan. , 2005
研究论文
室温水解法制备介孔二氧化钛的 表征及应用
张雪红 , 罗来涛
1, 2 1
( 1. 南昌大学 化学系 , 江西 南昌 330047; 2. 南昌航空工业学院 环化系 , 江西 南昌 330034)
[ 2 5]
. 1995 年, Antonelli 等
[ 3]
首次合成了热稳定的有
[ 4]
六面体结构的介孔 T iO2 材料, 由于不能去除磷而限制了它的使用. Yang 等 在非水溶 液中通过控制 T iO2 的晶化反应首次合成了含自由磷的介孔 T iO2 材料 , 并具有六面体和 立方体的孔结构 . Dai 等[ 5] 采用不同链的烷基磷酸盐和烷基胺合成了六面体有序 T iO2 材 料, 而且在回流去除模板剂时没有引起介孔结构的倒塌 . Wang 等[ 6] 采用超声波辐射来缩 短反应时间 , 但仅获得了有虫孔状结构的材料, 而且 , 在制备方法中主要是使用成本较高 的溶胶 凝胶法 . 近来, T akeo Hyodo 等用氯化十六烷基吡啶( C16 PyCl) 为模板剂, 在碱性条 件下合成了热稳定性好、 比表面积大的介孔 SnO2 分子筛[ 7] , 700 焙烧 5 h 后介孔结构 仍能保持. 受此启发 , 本文利用氯化十六烷基吡啶 ( C16 PyCl) 为模板剂 , 以较易操纵的钛酸 丁酯为原料, 在室温、 碱性条件下合成了介孔 T iO 2 分子筛 , 用 XRD、 F T IR 等手段对样品 进行了表征 , 获得了热稳定性较好、 颗粒分布均匀、 孔径大小在介孔范围内 的纳米介孔

介孔二氧化钛合成、热稳定及其改性的开题报告

介孔二氧化钛合成、热稳定及其改性的开题报告

介孔二氧化钛合成、热稳定及其改性的开题报告一、研究背景随着环境污染的日益加剧,人们对光催化材料的需求越来越高。

介孔二氧化钛因其具有良好的光催化性能和化学稳定性而备受关注。

然而,目前大多数介孔二氧化钛的合成方法都需要高温和严格的反应条件,而且在高温环境下,很容易使其表面结构发生变化或失去孔结构。

因此,开发一种低温、简单易行的介孔二氧化钛合成方法,以及提高其热稳定性和光催化效率的方法,对于介孔二氧化钛的应用具有重要的意义。

二、研究目的本研究旨在探索一种低温、简单易行的介孔二氧化钛的合成方法,同时提高其热稳定性和光催化效率。

具体目标如下:1.研究介孔二氧化钛的合成方法及其结构特性。

2.考察不同条件下介孔二氧化钛的热稳定性,提高其热稳定性。

3.探索不同改性方法对介孔二氧化钛光催化性能的影响,提高其光催化效率。

三、研究方法1.合成MCM-41型介孔二氧化钛,调节不同条件下反应时间、温度、溶液pH值以及添加剂等因素,优化合成条件。

2.采用XRD、TEM等技术对介孔二氧化钛的结构特性进行表征。

3.将介孔二氧化钛样品在高温条件下进行热稳定性测试,并测试热稳定性。

同时,通过添加稳定剂等方法提高其热稳定性。

4.探索不同改性方法对介孔二氧化钛的光催化性能的影响,包括采用不同的改性剂、改性剂添加量、改性前后的表征等。

5.通过可见光催化降解染料等实验,评价介孔二氧化钛的光催化性能,并对改性方法进行比较研究。

四、研究意义本研究将探索一种低温、简单易行的介孔二氧化钛合成方法,并提高其热稳定性和光催化效率的方法。

该方法对于介孔二氧化钛的应用具有重要的意义,可以为解决环境污染问题提供重要的技术支持。

此外,本研究对于其他介孔材料的合成与改性也具有一定的参考价值。

介孔二氧化钛分子筛的合成、表征及合成机理研究的开题报告

介孔二氧化钛分子筛的合成、表征及合成机理研究的开题报告

介孔二氧化钛分子筛的合成、表征及合成机理研究的开题报告一、选题背景二氧化钛是一种重要的半导体材料,在催化、光电和光催化等领域有广泛的应用。

然而,传统的二氧化钛材料存在着比表面积、孔径大小等方面的限制,进一步限制了其性能的发挥。

因此,研究介孔二氧化钛分子筛的合成、表征及合成机理具有理论价值和实际意义,可以在制备高性能功能材料方面有所突破。

二、研究内容1. 合成介孔二氧化钛分子筛。

使用不同的方法(如溶胶-凝胶法、水热法等),探究不同条件下合成的介孔二氧化钛分子筛的产率、孔径大小、比表面积等方面的变化,并确定最优合成条件。

2. 表征介孔二氧化钛分子筛。

通过扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等技术,对介孔二氧化钛分子筛的形貌、孔径结构、晶体结构等进行表征,并分析不同表征结果之间的关联性。

3. 探究介孔二氧化钛分子筛的合成机理。

通过实验室合成不同介孔二氧化钛分子筛的产物,分析其成分、形态等性质,并结合物理化学的相关理论,探究不同合成条件下的反应机理。

三、研究意义1. 提高二氧化钛材料的性能。

介孔二氧化钛分子筛具有比表面积更大、孔径更大、孔隙度更高等特点,可以提高其催化、光催化等方面的性能。

2. 丰富材料合成方法。

介孔二氧化钛分子筛的制备方法多种多样,可以为其他功能材料的制备提供新的思路和方法。

3. 深入了解材料的合成机理。

通过实验分析和理论研究,可以深入了解介孔二氧化钛分子筛的合成过程,在制备其他材料时为理解反应机理提供参考。

四、研究方法1. 实验合成:使用溶胶-凝胶法、水热法等不同的合成方法,制备介孔二氧化钛分子筛。

2. 表征分析:采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等技术对样品进行表征分析。

3. 理论分析:结合已有的理论研究和实验结果,深入探究介孔二氧化钛分子筛的合成机理。

介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用

介孔二氧化钛的合成及应用介孔二氧化钛的合成及应用摘要介孔二氧化钛是一种多孔材料,它具有巨大的比表面积,发达的孔道结构,因而在光电转换领域,光催化降解,光催化制氢等环境能源领域表现广泛的应用前景而备受瞩目。

目前,国内外对制备介孔二氧化钛材料的方法的研究主要集中在模板法制备,此外,还有非模板法等方法也有研究。

关键词介孔二氧化钛,光催化,模板法1 前言多孔材料,因具有空旷结构和巨大的表面积,而被广泛应用于催化剂和吸附载体。

按孔径的大小,多孔材料可分为:微孔材料(孔径<2nm),介孔材料(孔径2~50nm),大孔材料(孔径50nm~1μm)和宏孔材料(孔径>1μm)等。

按材料的结构特征,多孔材料又可以分为三类:无定形、次晶和晶体。

介孔材料因孔径范围较大,存在着孔道形状不规则、孔径尺寸分布范围大等优点,是良好的催化剂载体[1]。

介孔TiO2包括有序、无序两大类,其中有序介孔材料又分为纳米量级和宏观尺度两类。

因其具有高比表面积,发达有序的孔道结构,孔径尺寸在一定范围内可调,表面易于改性等特点,可以有效地增强TiO2光催化、光电转换等功能,使其在水处理、空气净化、太阳能电池、纳米材料微反应器、生物材料等方面表现出广阔的应用前景而备受瞩目。

为科学家从微观角度研究纳米材料的尺寸效应、表面效应及量子效应等性能提供了物质基础[2]。

2 影响介孔材料孔径大小的因素介孔材料的合成过程中一个关键参数是孔径大小及尺寸分布,孔径大小的控制及影响因素一般包括以下几个方面[2]。

1) 表面活性剂碳链的长度,孔径大小的粗略控制可通过调节表面活性剂的碳链长度来达到。

因为表面活性剂的碳链越长,形成棒状胶束时直径越大,若碳链大于l8,表面活性剂溶解度下降,故较少用于介孔材料的制备。

2) 辅助有机物的添加,通过添加憎水性有机物,可将辅助有机物进入表面活性剂胶束的憎水基团内部,使胶束的直径变大,达到增加介孔材料尺寸的目的。

此类有机物一般包括饱和链烷烃、芳香烃、醇类。

介孔二氧化钛光催化剂

介孔二氧化钛光催化剂

介孔二氧化钛光催化剂介孔二氧化钛光催化剂是一种新型的光催化材料,具有高效、可重复使用、环境友好等优点。

本文将从以下几个方面对介孔二氧化钛光催化剂进行详细介绍。

一、介孔二氧化钛的制备方法1. 模板法模板法是制备介孔二氧化钛的主要方法之一。

该方法的原理是利用有机或无机模板剂在水相或有机相中与钛源反应,形成介孔结构,并通过热处理或溶胶-凝胶法去除模板剂得到介孔二氧化钛。

常用的模板剂有十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是另一种制备介孔二氧化钛的常用方法。

该方法的原理是将金属前驱体和溶解在水或有机溶剂中的表面活性剂混合,在适当条件下形成凝胶,然后经过干燥和煅烧得到介孔结构。

3. 水热法水热法是利用水热条件下的高温高压反应制备介孔二氧化钛的方法。

该方法的原理是将钛源和表面活性剂混合,并在高温高压条件下进行水热反应,形成介孔结构。

二、介孔二氧化钛光催化剂的性质1. 光吸收性能介孔二氧化钛光催化剂具有较强的光吸收能力,在紫外-可见光区域都有吸收峰。

其中,紫外区域主要由价带到导带的电子跃迁引起,可见光区域主要由3d电子能级跃迁引起。

2. 光生电子-空穴对产生和传输当介孔二氧化钛受到光激发时,会产生电子-空穴对。

其中,电子会进入导带,形成自由电子;空穴则会留在价带上,形成自由空穴。

这些自由电子和自由空穴在材料中传输,并与周围分子发生反应。

3. 光催化活性介孔二氧化钛光催化剂具有高效的光催化活性。

这主要是因为介孔结构增加了材料的比表面积,提高了光吸收和电子-空穴对的产生和传输效率。

此外,还可以通过掺杂、修饰等方法增强其光催化活性。

三、介孔二氧化钛光催化剂的应用1. 污染物降解介孔二氧化钛光催化剂可用于污染物降解,如有机污染物、重金属离子等。

例如,将介孔二氧化钛与银离子复合可以有效降解苯酚。

2. 水分解制氢水分解制氢是一种绿色、环保的制氢方法。

介孔二氧化钛光催化剂可用于水分解制氢反应中,通过光激发产生的电子-空穴对在催化剂表面上进行反应,从而实现水分解制氢。

介孔二氧化钛的制备及其光催化性能研究的开题报告

介孔二氧化钛的制备及其光催化性能研究的开题报告

介孔二氧化钛的制备及其光催化性能研究的开题报告一、研究背景随着环境污染问题的日益严重,利用光催化技术处理环境污染已成为一种热点研究方向。

介孔二氧化钛材料因其独特的孔道结构和高比表面积,已成为光催化材料的一种重要代表。

而介孔二氧化钛材料的制备方法也是影响其性能的重要因素。

因此,本研究将探讨一种制备方法,并研究其在光催化反应中的性能。

二、研究内容1.利用模板剂法制备介孔二氧化钛材料,并优化制备过程。

2.利用XRD、SEM、TEM等测试手段对制备的介孔二氧化钛材料进行表征。

3.采用光催化降解有机污染物的实验模拟反应,测试制备的介孔二氧化钛材料的光催化性能,主要研究光源强度、反应时间、反应体系pH 等因素对其光催化性能的影响。

4.分析光催化反应机理和光催化性能提高的相关因素。

三、研究意义1.通过研究介孔二氧化钛的制备工艺和光催化性能,为其在环境污染治理中的应用提供技术支持。

2.为介孔材料的制备方法和光催化材料的研究提供参考。

3.提高对光催化反应机理的理解,加深对环境治理光催化技术的应用认识。

四、研究方法1.采用模板剂法制备介孔二氧化钛材料,通过调整制备条件优化其制备过程。

2.利用XRD、SEM、TEM对制备的介孔二氧化钛材料进行表征。

3.采用光催化降解有机污染物的实验模拟反应,测试制备的介孔二氧化钛材料的光催化性能。

4.分析反应产物及反应机理。

五、研究预期成果1.成功制备出具有优异光催化性能的介孔二氧化钛材料,并优化其制备工艺。

2.对制备的介孔二氧化钛材料进行表征,探究其物理化学性质与光催化性能的相关性。

3.建立介孔二氧化钛材料的光催化反应机理。

4.提高对光催化反应机理的理解,并为环境污染治理提供技术支持。

六、研究进度安排第一阶段:文献调研和实验准备第二阶段:介孔二氧化钛的制备及表征第三阶段:光催化实验及数据分析第四阶段:论文写作及整理七、参考文献1. Dong, F.; Zhao, W.; Wu, L.; Ju, H. Morphology evolution of mesoporous TiO2 for high-performance lithium-ion batteries[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 817:153293.2. Zhang, X. H.; Wang, H. P.; Yin, P. G.; et al. Sol-gel preparationof mesoporous TiO2 with high crystalline structure and improved photocatalytic activity[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 820:153288.3. Zhang, Y. L.; Lin, K. D.; Zheng, X.; et al. Preparation of pure anatase-tiO2 mesoporous thin film with high surface area and enhanced photoactivity by ultrasonic method[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2020,64:105001.。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

Room temperature synthesis of mesoporous TiO 2nanostructures with high photocatalytic efficiencyDebashree Das,Atal Shivhare,Soumen Saha,Ashok K.Ganguli *Department of Chemistry,Indian Institute of Technology,Hauz Khas,New Delhi 110016,India1.IntroductionTiO 2is of tremendous interest due to the wide-ranging applications in the areas of environmental purification [1],gas sensors [2],dielectric ceramics [3],pigments [4],high efficiency dye-sensitized solar cells [5,6],cosmetics [7],inorganic mem-branes [8]and catalysis [9,10].Considerable efforts have been made toward the controlled synthesis of TiO 2nanomaterials with different morphologies varying from nanospheres [11,12],nano-structured thin films [13,14],nanotubes [15],nanowires [16],nanofibers [17],mesoporous structures [18]and others [19–22].Naturally occurring crystalline TiO 2has three common poly-morphs:rutile (tetragonal),anatase (tetragonal),and brookite (orthorhombic),along with some less common structures like TiO 2-II (columbite),TiO 2-III (baddeleyite),TiO 2-H (hollandite),TiO 2-R (ramsdellite)and TiO 2-(B)(monoclinic)[23–27]many of which can be stabilized under specific conditions.TiO 2nanos-tructures have been synthesized by different methods such as sol–gel,hydothermal/solvothermal and reverse-micellar methods [28–30].Among these methods,the use of w/o microemulsion offers a unique microenvironment in which monodispersed ultrafine nanoparticles with a narrow size distribution can be obtained [31–33].Among the earlier studies there are very few reports specifically on TiO 2nanospindles.Yang et al.reported the synthesis of size-tunable TiO 2(anatase)nanospindles through hydrothermaltreatment using tubular titanates in the presence of alkyl amines at 1808C and investigated the role of reaction solvent in controlling the size of the TiO 2nanospindles.TiO 2nanospindles obtained using hydrothermal method have been used to fabricate a double-layered photoanode for dye sensitized solar cells [34,35].However,in most of the studies,the reactions were carried out at high temperature ($1808C)and lead to spindles with large size and a broad size distribution [36–38].Here for the first time we report a room temperature synthesis of spindle-shaped TiO 2using a reverse micellar route.These anisotropic structures (spindles)have diameter of $6nm and length of 30nm and are monodispersed with high surface area and high degree of thermostability.Such size and shape tunable TiO 2nanospindles lead to efficient photocatalysis,as we have shown in this study taking the case of Rhodamine B as the organic pollutant.2.ExperimentalTitanium isopropoxide was purchased from Acros (Belgium)and used as a source of titanium for the preparation of TiO 2nanoparticles.A commercial form of TiO 2(Degussa P25)was used for the comparison of the photocatalytic activity.For the preparation of microemulsion CTAB (C 16H 33N(CH 3)3Br)was used as the surfactant (Sigma–Aldrich),n -butanol (Fischer scientific)as a co-surfactant and isooctane (Spectrochem,India)as the non-polar solvent were used.Rhodamine B was selected as the dye for studying the photocatalysis.Powder X-ray diffraction (PXRD)studies were carried out on a Bruker D8Advance Diffractometer using Ni-filtered Cu-K a radiation.The data was collected in the range (2u )of 10–708with a step size ofMaterials Research Bulletin 47(2012)3780–3785A R T I C L E I N F OArticle history:Received 19December 2011Received in revised form 27April 2012Accepted 11June 2012Available online 18June 2012Keywords:A.NanostructuresB.Chemical synthesisC.Electron microscopyD.Catalytic propertiesA B S T R A C TMesoporous TiO 2nanostructures of spindle shape (diameter $6nm and length of 30nm)have been obtained at room temperature by a simple microemulsion method.The nanospindles are highly monodisperse with high surface area and high degree of thermostability.These TiO 2nanostructures have a high surface area ($200m 2/g)and show nearly twice the photocatalytic efficiency than of commercially available TiO 2and comparable to the best titania-based photocatalyst (TiO 2doped with expensive metals like Pt and obtained at higher temperature).There is no decrease in the efficiency of the photocatalyst even after three cycles.ß2012Elsevier Ltd.All rights reserved.*Corresponding author.Tel.:+911126591511;fax:+911126854715.E-mail address:ashok@chemistry.iitd.ernet.in (A.K.Ganguli).Contents lists available at SciVerse ScienceDirectMaterials Research Bulletinj o u rn a l h om e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /m a t r e s b u0025-5408/$–see front matter ß2012Elsevier Ltd.All rights reserved./10.1016/j.materresbull.2012.06.0210.028and step time of 1s.The crystallite size was deduced using X-rayline broadening using the Scherrer formula (d =0.9l /(B s ÀB r )cos u ),where l is the X-ray wavelength,B s indicates the full width at half maxima of the sample,while B r is that of a standard (Quartz).Diffuse-reflectance spectra (DR)spectra were recorded on Shimadzu UV-2450spectrophotometer where the baseline was fixed using a barium sulfate reference.Nitrogen adsorption–desorption isotherms were recorded at liquid nitrogen temperature (77K)on a Quadrasorb-1C (Quantachrome Corp.)equipment and the specific area was deter-mined by the Brunauer–Emmett–Teller (BET)method.The as-prepared TiO 2samples were degassed at 2008C for 12h prior to the surface area measurements.For the adsorption–desorption measure-ments the sample was degassed for 12h.The morphology of titanium dioxide nanospindles was observed by transmission electron micros-copy (TEM)on an FEI Technai G 220electron microscope operated at 200kV.TiO 2powders were dispersed in ethanol in an ultrasound bath for few minutes and few drops of the suspension was deposited on a carbon covered microgrid for the TEM studies.2.1.Synthesis of TiO 2nanospindlesMonophasic TiO 2nanospindles were obtained by the reverse micellar method using titanium isopropoxide as the source oftitanium.The synthesis of titania nanospindles was achieved using two microemulsions (I and II)(Fig.1).The optimized composition of the microemulsion consisted of CTAB as the surfactant (16.95wt%),1-butanol as the cosurfactant (13.91wt%),isooctane as the non-polar solvent (58.94wt%),and (10.2wt%)aqueous phase.In the first microemulsion (I)the aqueous phase contained 0.1M hydroxyl titanium acylate solution [39],and the second microemulsion (II)contained 0.1M NH 3solution.The ratio of water to surfactant was kept constant (W o =12).The two microemulsions I and II were mixed and stirred for 24h.The TiO 2nanoparticles precipitated were separated by centrifuging at 4000rpm for 10min and then washed with chloroform:methanol (1:1)mixture to remove the surfactant.The product was dried at 408C in air.Fig.2shows the formation process of TiO 2nanospindles.2.2.Measurement of photocatalytic activityThe photocatalytic activity of TiO 2powders under UV light was estimated by measuring the decomposition rate of Rhodamine B in an aqueous solution.The photocatalytic reactions were carried out in a quartz reactor with a water-circulating jacket.Experiments were also performed in the absence of photocatalyst andFig.1.Flow chart for the synthesis of TiO 2nanospindles.Fig.2.Formation process of TiO 2nanospindles.D.Das et al./Materials Research Bulletin 47(2012)3780–37853781illumination (blank tests).200ml of Rhodamine B solution at concentration of 15m mol/dm 3containing suspended photocata-lyst 80mg was stirred continuously for half an hour before irradiation to ensure the adsorption/desorption equilibrium during the photocatalytic process.After 30min of stirring in dark to attain the adsorption equilibrium,the UV lamp (125W high pressure Hg lamp)was positioned above the reactor and switched on.The photocatalytic reactions were carried out at room temperature.Aliquots of 1cm 3of the aqueous suspension were collected at regular time periods during irradiation and absence of light.These aliquots were centrifuged to remove the photocatalyst particles.Rhodamine B concentration was estimated using UV–vis spectro-photometer at its maximum absorption.We have also studied the effect of pH and the presence of O 2on the photocatalytic efficiency.3.Results and discussionMonophasic TiO 2nanospindles were obtained at room temper-ature by the reverse micellar method using titanium isopropoxide as the source of titanium.We have optimized the conditions to tune the particle size of TiO 2nanospindles.All the reflections in the XRD pattern could be indexed satisfactorily and indicates presence of anatase form of TiO 2nanoparticles (Fig.3).The broad nature of the XRD peaks indicatesa small crystallite size of the particle.The average crystallite size of the particles obtained from the X-ray line broadening studies [40]of the (101)reflection was found to be 25nm.From the diffuse reflectance spectra (Fig.4)the band gap was estimated to be 3.28eV (onset of the absorption edge).The specific surface area for the anatase type titania nanos-pindles synthesized by the reverse micellar method was found to be 198m 2/g.This is the highest surface area found till now for TiO 2nanospindles.The N 2adsorption–desorption isotherms of titania nanospindles (Fig.5A)exhibit the type IV hysteresis indicative of cage like pores [41,42]and bimodal pore size distributions in the mesoporous region [43,44].Fig.5B shows the pore size distribution of the TiO 2nanospindles.From the BJH curve (Fig.5B)the average pore diameter was calculated to be 6.2nm.However,the pores obtained are not ordered.A sharp increase in nitrogen uptake at high relative pressures (P /Po >0.9)corresponds to the voids formed between the titania nanoparticles and is a measure of the textural porosity.The average size of the TiO 2nanospindles (Fig.6A)was observed to be 30nm along its major axis and 6nm diameter along its minor axis and the length-to-diameter ratio is 5:1.Fig.6D shows the HRTEM image of the TiO 2nanospindles and the latticespacing of 3.5A˚could be ascribed to the (101)planes of anatase.Keeping other experimental conditions fixed,the effect of the reaction time was investigated.The formation of TiO 2nanospin-dles was observed after carrying out the reaction for 24h (Fig.6A).When the reaction was carried out by stirring the microemulsions6050403020204105200004101I n t e n s i t y (a .u .)2-ThetaFig.3.Powder X-ray diffraction pattern of anatase TiO 2(anatase)synthesized by reverse micellar route at room temperature.A b s o r b a n c e (a .u .)Wavelength (nm)Fig.4.Diffuse-reflectance studies of TiO 2nanospindles.1.00.80.60.40.20.050100150200V o l u m e (c c /g )p/p o5040302010A d s o r p t i o n D v (l o g d )(C C /g )Pore Diameter(nm)Fig.5.(A)Nitrogen adsorption–desorption isotherms and (B)pore size distribution plot of TiO 2nanospindles synthesized by reverse micellar method.D.Das et al./Materials Research Bulletin 47(2012)3780–37853782for 12h,formation of spindle shape TiO 2nanoparticle could be observed with not so well-defined boundaries (Fig.6B).It has generally been observed that using a cationic surfactant like CTAB leads to anisotropic nanostructures [45].The formation ofanisotropic structure of TiO 2nanoparticles can be explained on the basis that the presence of negative surface charge over the titania particle followed by an assembly of cationic surfactant over the surface leading to the restricted growth of the nanoparticle along the ends which is more hydrophilic compared to the surface and hence resulted in the formation of anisotropic structures.The cooperative self-assembly of the titania precursor with surfactantmolecules followed by the basic hydrolysis lead to the formation of mesoporous TiO 2.The pores are formed by the removal of the intermediate assemblies of the surfactant molecules having a charge on the head group.In the present case we have used cationic surfactant (CTAB).The self-assembly of the cationic surfactant,(S +)and the anionic titania TiO 2ions,(I À)takes place by the S +I Àmechanism and is driven purely by electrostatic interactions [46].On removing the surfactant,pores are developed inside the particle.The particle size of TiO 2nanospindles was controlled by varying the W o (water/surfactant)parameter.At W o of 12,nanospindles of size 30nm were obtained.On increasing theFig.6.TEM micrographs of TiO 2nanospindles synthesized using reverse micellar method:(A)24h,W o 12(inset:TEM image of a single TiO 2nanospindle);(B)12h,W o 12;(C)24h,W o 14;and (D)HRTEM image of TiO 2nanospindles (24h),(E)calcined at 5008C.D.Das et al./Materials Research Bulletin 47(2012)3780–37853783value of W o to 14,it was observed that size of the TiO 2nanospindles increases from 30nm to 80nm (Fig.6C).This is attributed to the increase in flexibility of the surfactant film as a result of increase of aqueous content with W o .This leads to higher intermicellar exchange thereby resulting in increase in the size.Fig.6E shows the TEM image of the TiO 2nanospindles heated at 5008C indicating the thermostability and monodispersity.The shape and size of the particles remain unaffected on calcining the sample at 5008C as observed in the TEM image.The photocatalytic efficiency of the TiO 2nanospindles was examined under UV light by monitoring the degradation of Rhodamine B (Fig.7).The UV absorption maxima of Rhodamine B (l $546nm)were recorded at regular intervals.The adsorption of the dye on the catalyst surface is regarded as a crucial step for efficient photocatalysis and this is highly influenced by the surface area.In order to determine the photostability of the dye under the above conditions,an experiment was performed in the absence of the photocatalyst.It was observed that the concentration of the dye in the reaction solution remains unchanged even after 3h of illumination.On comparing the photocatalytic activity of TiO 2nanospindles and commercially available TiO 2powder (Degussa P25),the rate of photodegradation was found to be significantly higher for the titania nanospindles discussed in this study.This is attributed to the high surface area of TiO 2nanospindles and mesoporous nature of the sample,which influences the adsorption of dye on the catalyst surface and its fast degradation.The rate of photocatalytic activity was significantly higher under basic condition pH (8.5)with continuous purging of oxygen during the irradiation.Absence of oxygen or lower pH (4.0)decreased the photocatalytic efficiency.The reason for this difference is the extent of adsorption of dye on the surface of catalyst.From the zeta potential measurements,the surface charge on TiO 2nanospindles at pH 8.5and pH 4.0was found to be À23.5mV and 11.2mV.Under basic conditions,since the catalyst surface is negatively charged,the dye can be easily adsorbed on the catalyst surface (Rhodamine B being a cationic dye)leading to enhanced photocatalysis.In acidic media,both Rhodamine B molecules and the TiO 2surface are positively charged.Because of the strong electrostatic repulsion due to the similarly charged surfaces,Rhodamine B molecules cannot adsorb easily on the TiO 2surface and hence the cationic dye is electrostatically destabilized resulting in lesser adsorption and lower degradation rate of dye [47].On comparing the photo-catalytic degradation of Rhodamine B by the TiO 2nanospindles and that of commercial TiO 2(Degussa P25),it was observed that the TiO 2nanospindles showed nearly twice the photocatalytic efficiency of Degussa P25TiO 2.We have employed the pseudo first order model to calculate the rate constant (K )of the photodegradation process using the equation,ln(C o /C )=Kt ,where C o and C are the concentration of Rhodamine B solution,respectively,at time 0and t .TiO 2nanospindles showed nearly twice the decomposition rate under UV irradiation with a pseudo first order rate constant of 0.48h À1compared to Degussa P25with a rate constant of 0.22h À1.This indicates that rate of photo-catalytic degradation of Rhodamine B by TiO 2nanospindles is higher than the photocatalytic efficiency of TiO 2(Degussa P25).Also,it is observed that the photocatalytic degradation of Rhodamine B by the TiO 2nanospindles is comparable to the best titania-based photocatalysts (N-doped and Pt-doped TiO 2)[48,49].Thus,we could achieve high efficiency by a simple room temperature process with no metal or other dopants.Further,to check the reusability of the TiO 2nanospindles,reactions were carried out on the same catalyst for five cycles (Fig.8).The degradation rate was almost same for nearly three consecutive cycles.4.ConclusionWe have described a simple room temperature method to obtain mesoporous TiO 2nanospindles (6nm diameter and 30nm length)with surface area of $200m 2/g (the highest reported so far).The specific nanostructured morphology has strong bearing on the high photocatalytic efficiency.These TiO 2nanospindles are highly monodisperse,and also show high degree of thermostability (till 5008C there is no change in the morphology and size).We believe this methodology can be extended to several other materials whose properties depend crucially on the surface area and morphology.AcknowledgementsAKG thanks Department of Science &Technology and Depart-ment of Information Technology,Govt.of India for financial support.DD thanks CSIR for a senior research fellowship.TheFig.8.Cycling studies of photodecomposition of TiO 2nanospindles under UV light (inset:photograph showing the degradation of rhodamine B using TiO 2nanospindles in 2h).140120100806040200.00.20.40.60.81.0C /C 0time(min)Fig.7.Photocatalytic degradation of Rhodamine B at 546nm as a function of irradiation time performed on TiO 2nanospindles:(a)blank experiment (absence of catalyst),(b)at pH 4,(C)commercial TiO 2(Degussa P25),(d)at pH 8.5,(e)at pH 8.5with O 2purging.D.Das et al./Materials Research Bulletin 47(2012)3780–37853784surface area measurements carried out in Dr.Eswaramoorthy’s laboratory,JNCASR,Bangalore is gratefully acknowledged. References[1]B.Sun,P.G.Smirniotis,Catal.Today88(2003)49–59.[2]N.Savage,B.Chwieroth,A.Ginwalla,B.R.Patton,S.A.Akbar,P.Dutta,Sens.Actuators B79(2001)17–27.[3]Z.Y.Xu,X.M.Chen,Mater.Lett.39(1999)18–21.[4]B.B.Topuz,G.Gu¨ndu¨z,B.Mavis,U¨.C¸olak,Dyes Pigments90(2011)123–128.[5]U.Bach,D.Lupo,te,J.E.Moser,F.Weissortel,J.Salbeck,H.Spreitzer,M.Gratzel,Nature395(1998)583–585.[6]M.Adachi,Y.Murata,J.Takao,J.Jiu,M.Sakamoto,F.Wang,J.Am.Chem.Soc.126(2004)14943–14949.[7]A.Jaroenworaluck,W.Sunsaneeyametha,N.Kosachan,R.Stevens,Surf.InterfaceSci.38(2006)473–477.[8]W.Liu,B.Li,R.Cao,Z.Jiang,S.Yu,G.Liu,H.Wu,J.Membr.Sci.378(2011)382–392.[9]H.Luo,T.Takata,Y.Lee,J.Zhao,K.Domen,Y.Yan,Chem.Mater.416(2004)846–849.[10]S.Nakade,Y.Saito,W.Kubo,T.Kitamura,Y.Wada,S.Yanagida,J.Phys.Chem.B107(2003)8607–8611.[11]H.Yu,J.Yu,B.Cheng,J.Mol.Catal.A253(2006)99–106.[12]C.C.Wang,J.Y.Ying,Chem.Mater.11(1999)3113–3120.[13]D.Grosso,G.J.de A.A.Soler-Illia,F.Babonneau,C.Sanchez,P.-A.Albouy,A.Brunet-Bruneau,A.R.Balkenende,Adv.Mater.13(2001)1085–1090.[14]N.Negishi,K.Takeuchi,T.Ibusuki,J.Mater.Sci.Lett.18(1999)515–518.[15]J.Yu,H.Yu,Mater.Chem.Phys.100(2006)507–512.[16]K.E.Karakitsou,X.E.Verykios,J.Phys.Chem.97(1993)1184–1189.[17]C.Charbonneau,R.Gauvin,G.P.Demopoulos,J.Cryst.Growth312(2009)86–94.[18]M.Anderson,H.Birkedal,N.R.Franklin,T.Ostomel,S.Boettcher,A.E.C.Palmqvist,G.D.Stucky,Chem.Mater.17(2005)1409–1415.[19]J.Yu,H.Guo,S.A.Davis,S.Mann,Adv.Funct.Mater.16(2006)2035–2041.[20]P.D.Cozzoli,A.Korrowski,H.Weller,J.Am.Chem.Soc.125(2003)14539–14548.[21]T.Kasuga,M.Hiramatsu,A.Hoson,T.Sekino,K.Niihara,Langmuir14(1998)3160–3163.[22]kshmi,C.J.Patrissi,C.R.Martin,Chem.Mater.9(1997)2544–2550.[23]P.Y.Simons,F.Dachille,Acta Crystallogr.23(1967)334–336.[24]J.Tang,J.Endo,J.Am.Ceram.Soc.76(1993)796–798.[25]troche,R.Brohan,R.Marchand,M.Tournoux,J.Solid State Chem.81(1989)78–82.[26]J.Akimoto,Y.Gotoh,Y.Oosawa,J.Solid State Chem.113(1994)27–36.[27]R.Marchand,R.Brohan,M.Tournoux,Mater.Res.Bull.15(1980)1129–1133.[28]L.H.Kao,T.C.Hsu,H.Y.Lu,J.Colloid Interface Sci.316(2007)160–167.[29]X.B.Chen,S.S.Mao,Chem.Rev.107(2007)2891–2959.[30]W.Zhang,X.Qiao,J.Chen,Mater.Sci.Eng.B142(2007)1–15.[31]A.K.Ganguli,A.Ganguly,S.Vaidya,Chem.Soc.Rev.39(2010)474–485.[32]M.A.L.Quintela,Curr.Opin.Colloid Interface Sci.8(2003)137–144.[33]R.Inaba,T.Fukahori,M.Hamamoto,T.Ohno,J.Mol.A:Chem.260(2006)247–254.[34]Y.Qiu,K.Yan,S.Yang,L.Jin,H.Den,W.Li,ACS Nano4(2010)6515–6526.[35]Y.Qiu,W.Chen,S.Yang,Angew.Chem.Int.Ed.49(2010)3675–3679.[36]M.Nag,D.Guin,P.Basak,S.V.Manorama,Mater.Res.Bull.43(2008)3270–3285.[37]P.S.Kumar,S.A.S.Nizar,J.Sundaramurthy,P.Ragupathy,V.Thavasi,S.G.Mhai-salkara,S.Ramakrishna,J.Mater.Chem.21(2011)9784–9790.[38]J.Jiang,F.Gu,X.Ren,Y.Wang,W.Shao,C.Li,G.Huang,Ind.Eng.Chem.Res.50(2011)9003–9008.[39]P.P.Phule,S.H.Risbud,J.Mater.Sci.25(1990)1169–1183.[40]L.S.Birks,H.Friedman,J.Appl.Phys.17(1946)687–692.[41]Y.Han,J.Y.Ying,Angew.Chem.Int.Ed.44(2005)288–292.[42]J.B.Condon,Surface Area and Porosity Determinations by Physiosorption Mea-surements and Theory,Elsevier,2006,pp.7–9.[43]J.Yu,S.Liu,H.Yu,J.Catal.249(2007)59–66.[44]J.Yu,J.C.Yu,M.K.P.Leung,W.Ho,B.Cheng,X.Zhao,J.Zhao,J.Catal.217(2003)69–78.[45]T.Ahmad,R.Chopra,K.V.Ramanujachary,S.E.Lofland,A.K.Ganguli,J.Nanosci.Nanotechnol.5(2005)1840–1845.[46]Q.Huo,D.I.Margolese,U.Clesla,P.Feng,T.E.Gier,P.Sieger,R.Leon,P.M.Petroff,F.Schuth,G.D.Stucky,Nature368(1994)317–320.[47]L.G.Devi,B.N.Murthy,S.G.Kumar,Chemosphere76(2009)1163–1166.[48]T.C.Jagadale,S.P.Takale,R.S.Sonawane,H.M.Joshi,S.I.Patil,B.B.Kale,S.B.Ogale,J.Phys.Chem.C112(2008)14595–14602.[49]C.Wang,L.Yin,L.Zhang,N.Liu,N.Lun,Y.Qi,Appl.Mater.Interfaces2(2010)3373–3377.D.Das et al./Materials Research Bulletin47(2012)3780–37853785。

相关文档
最新文档