TiO2光催化性能的研究

本科生课程设计

课题：TiO2光催化性能的研究院系：理学院化学系

班级：材料化学

姓名：饶倩蓝

学号： 1100700209

指导教师：陈刚教授

设计时间： 2013 年05 月24 日

摘要

TiO

以其无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能力强等优点而备受青睐，2

制备、表征、性能，重点对溶胶-凝胶法，进行了深入研本文主要讲述纳米TiO

2

究。

，溶胶-凝胶法

关键词:光催化, TiO

2

1、TiO2光催化材料简介

自从1972年两位日本学者在TiO

单晶电极上发现水的光电催化分解制氢以

2

来【1】，多相光催化技术引起了科技工作者的极大关注. 目前, 在多相光催化反应

以其无毒、催化活性高、稳定性好以及抗氧化能所应用的半导体催化剂中,TiO

2

力强等优点而备受青睐【2】。

在自然界有三种形态，分别是金红石（Rutile），锐钛矿（Anatase）以TiO

2

及无定型TiO

。其中,板钛矿型在自然界中很稀有,属斜方晶系,是不稳定的晶型,

2

因而没有工业价值。但是锐铁矿和金红石相在自然界普遍存在，在光催化领域有广泛的应用。金红石和锐钛矿两者均为四方晶系,晶型结构均可由相互衔接的Ti0

八面体表示。两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互衔接的方式6

不同,如图1所示。在金红石相中,晶体结构表现为氧离子近似六方最紧密堆积,

]八面体,铁离子的配位数为六,氧离钛离子位于变形的八面体空隙中,构成[Ti0

6

子的配位数为三,[Ti0

]配位八面体沿C轴共棱成链状排列,链间由配位八面体共

6

八面体有稍微的畸变,金红石型中每个八面体与周围10个八面体角顶相连,Ti0

6

相连(其中两个共边,八个共顶角),而锐铁矿型中每个八面体与周围8个八面体相连(四个共边,四个共顶角)。这些结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度和电子能带结构。锐钛矿型的质量密度(3.894 g*cm_3)略小于金红石型(4.250g*cm_3),带隙(3.2eV)略大于金红石型(3.0 eV)。通常,锐钛矿相Ti0

在高

2

温热处理下会逐渐转变成金红石相。金红石TiO

具有很高的热稳定性

2

因此锐钛矿由于其低的介电常数和质量密度以及高的电子迁移率是公认具有较高光催化活性的光催化材料。

图1 金红石和锐钛矿的结构

2、TiO2的制备方法、表征与性能

2.1方法总览

纳米TiO

2

的制备方法可以分为固相法，液相法和气相法。固相法是通过从固相到固相上午变化来制造粉体，对于固相、分子或者院子的扩散很缓慢，集合状

态很多，因此在制备高催化活性的纳米TiO

2

方面应用较少。气相法有钛醇盐气

相法、钛醇盐气相热解法以及四氯化钛直接氧化法，气相法制备的纳米TiO

2

有较高的活性，但是其所需的装置复杂对反应条件要求严格，在实验室较少采用，

一般都是工厂采用【3】。液相法制备的纳米TiO

2

一般具有反应要求介质温度均匀，液相法制备纳米TiO2 一般具有反应介质温度均匀、粒径大小易控制、便于实现工业化等优点, 是研究较多的一种方法, 它又分为溶胶- 凝胶法、沉淀法、水热法、溶剂热法、电化学法、生物模板法、微乳液法等【4】。可以制备得到不同晶型、不同粒度的TiO2 纳米晶, 因此液相法是一种被广泛研究和应用的方法。接下将主要描述溶胶-凝胶法的制备、表征和性能。

2.2溶胶-凝胶法制备TiO

2

。

2.2.1溶胶-凝胶法制备TiO

2

机理

该研究以钛醇盐的水解和缩聚制备TiO

2

。其反应机理如下：

第一步：水解

M(OR）

n +H

2

O→M(OR

)n-1

(OH)+ROH

第二步：脱水缩合

M(OR)

n + M(OR)

n-1

(OH)→M

2

O(RO)

n-2

+ROH

第三步：脱醇

2M(OR)

n-l (OH) →M

2

O(OR)

2n-2

+ H

2

O

总反应：

M(OR）

n +n/2H

2

O→MO

n/2

+nROH

为了获得均匀的钛氧化物的网络结构，水解控制是至关重要的。因此，在另

外的前体为钛源，通常加入一些螯合试剂，如二元醇，羧酸或二酮化合物。【5】该缩合通常是通过煅烧。缩合拉在一起，构成一个紧凑的凝胶颗粒，从而建立的金属氧化物晶体。另一方面，焙烧温度对从最终产品中除去有机分子很重要。然而，非常高的煅烧温度的会导致相变，并影响的TiO

2

纳米粒子的微观结构以

及属性。TiO

2

的光催化活性在很大程度上依赖于它的晶体结构。

2.2.2溶胶-凝胶法制备TiO

实验步骤

2

图2溶胶-凝胶法制备纳米级TiO2光催化材料流程图

，以钛的溶液（IV）的叔丁醇钾为前驱

C.Su等【5】在用溶胶-凝胶法制备TiO

2

体。以异丙醇（i-PrOH）作为溶剂进行水解缩聚反应。为了控制反应的动力学，利用乙酰丙酮（acac）化学添加剂控制中度反应速率。去离子水和i -PrOH中混合，逐渐加入并且进行机械搅拌。小心控制反应条件，得到白色沉淀物为碱式氢氧化钛，然后用水洗涤数次。这些反应物的摩尔比为：TI（O -Bu）4：H 2 O：

，然后通过在85℃的i-PropOH：ACAC = 1:100:2:0.01。最终的解决方案加入HNO

3

下回流8小时，得到的溶胶的pH值为2.5。控制的pH值在TiO

颗粒的大小的重要作

2

用显露出来。所制备的二氧化钛溶胶的部分被保留作进一步的分析和比较。的其它部分凝胶化，在100℃下干燥3小时，然后在真空烘箱中煅烧，在不同温度下（400-700℃），得到的TiO

粉末。的实验步骤在图1所示。也可以钛酸四丁酯为

2

前驱体, 无水乙醇为溶剂, 无机酸或杂多酸为催化剂, 并添加冰乙酸或乙酰乙酸乙酯作为螯合稳定剂, 用溶胶-凝胶法合成二氧化钛凝胶【6】。