二氧化钛的制备与光催化性能研究

合肥学院学生专题训练实验报告
合肥学院化学与材料工程系
二氧化钛光催化剂的制备及光催化性能的研究实验
实验目的：
让化学本科生尽早了解和掌握光催化原理，熟悉光催化剂的制备和光催化反应，在大量研究工作的基础上，设计涉及纳米光催化剂的制备、催化剂的简单表征和催化活性评价的综合性实验。

让学生能够对光催化具有较好的了解。

实验原理：
当光子能量高于半导体带隙能（如TiO2,其带隙能为3.2eV）的光照射半导体时，半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带。

从而使导带产生高活性的电子（e），而价带上则生成带正电的空穴(h+)，形成氧化还原体系，挤在表面产生具有高活性的羟基自由基。

具有很强的氧化性，可以氧化很多难降解的有机化合物（R）。

粉体的制备可采用许多方法，如溶胶-凝胶法，水热合成法等。

本次试验采用溶胶-凝胶法。

仪器与试剂：
表1 实验药品
药品名称化学式纯度生产厂家
浓硝酸HNO3AR 上海化学试剂有限公司
无水乙醇CH2CH2OH AR 上海中试化工总公司
钛酸丁酯（TBT）[CH3(CH2)3O]4Ti AR 天津市光复精细化工研究所冰醋酸CH3COOH AR 上海振企化学试剂有限公司亚甲基蓝
表2 实验仪器
仪器设备名称型号生产厂家主要用途磁力加热搅拌器85-2 江苏金坛市精达仪器制造厂搅拌反应液电子天平ER-180A 广州市艾安得仪器有限公司准确称量
超声波清洗器KQ-400K
DE
昆山市超声仪器有限公司超声分散
高速离心机TG16G 盐城凯特实验仪器有限公司高速离心
电热恒温鼓风干燥箱DHG-902
3A
上海市精宏实验设备有限公司样品干燥
紫外可见分光光度计TU-1901 北京普析通用仪器有限责任公司性能测试
图1 实验装置图
实验过程：
一：TiO2的制备
量取17mL钛酸丁酯，在磁力搅拌器搅拌下滴加入到22mL的无水乙醇中，制得钛酸丁酯/乙醇溶液(A)；将22mL无水乙醇和一定量蒸馏水混合，并加入一定量的浓硝酸和冰醋酸，调节pH值在2~3之间(B)。

将B以2d/s的速度在磁力搅拌器快速搅拌下滴入A中；滴完后继续搅拌，形成均匀溶胶之后，持续快速搅拌至反应器中无气泡产生；将混合后的溶胶抽虑；所得样品至于电热恒温鼓风干燥箱中于95℃干燥三个小时。

将干燥后的样品研磨放入马弗炉中于500℃下煅烧处理，升温速率为3℃/min，保温时间为2h，自然冷却至室温，研磨，即得所需产品，待用。

二：实验现象
200
300
400
500
600
700
800
0.0
0.51.01.52.02.5
3.0A b s o r b a n c e (a .u .)
Wavelength(nm)
1） 配制溶液时，无明显变化。

2） 磁力搅拌器搅拌时，溶液逐渐变淡黄黄，粘稠度增加，最后完全凝固，
以致磁转子不能转动在变化磁场中带动烧杯跳起。

3） 放于恒温鼓风干燥箱中时，第1~2个小时，溶胶从底部开始慢慢开裂，第
2~2.5小时，溶胶完全碎裂，底部出现淡黄色的粉末，第2.5~3小时，溶胶完全变为粉末。

整体颜色淡黄底部黄色较深。

4） 打开坩埚，粉末为纯白色，带有少量乌黑色杂质。

三：性能测试： 1、实验准备
1）亚甲基蓝最大吸收波长的确定：配制一定浓度的亚甲基蓝溶液，在紫外可见分光光度计上测量190～800nm 波长区间不同波长下吸光度值，将结果绘制成曲线，确定亚甲基蓝最大的吸收波长为664.50nm
图2 亚甲基蓝吸光度曲线
2）亚甲基蓝标准曲线的标定
准确称取1.0000g 亚甲基蓝，溶于水中，转移至1000mL 的容量瓶，定容至刻度线；将其作为母液，用微量进样枪分别移取不同体积的母液配置成系列标准溶液。

用紫外可见分光光度计在最大吸收波长(665.00 nm) 下测定亚甲基蓝水标准溶液的吸光度，以浓度C 为横坐标，吸光度A 为纵坐标，绘制标准曲线；并对曲线线性拟合，并得出回归方程，相关系数为0. 9969。

从图中可以看出在该浓度范围内，C-A 能较好地满足线性关系，符合A=0.23133C 方程
表3不同浓度亚甲基蓝吸光度值
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
浓度(mg/L) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
吸光度值A
0.293 0.481 0.671 0.990 1.095 1.474 1.563 1.901 2.026
图3 亚甲基蓝不同浓度吸光度曲线
根据郎伯-比尔定律C/C 0=A/A 0，计算亚甲基蓝的降解率，公式如下：
%100%0
0⨯-=
C C
C 降解率 降解率%=（1- A/A0）*100%
2）根据标准曲线吸光度与溶液浓度的关系可确定未知MB 溶液的浓度。

2、实验数据及处理
1）pH值对光催化剂的性能影响
在催化剂投放量为0.02g、亚甲基蓝浓度为6mg/L的前提下，用0.1mol/L的HCl和NaOH在1-9范围内调节溶液pH值，测试结果如下图所示：
表4 不同pH值下亚甲基蓝降解率
图4 不同pH下亚甲基蓝降解率
序号 1 2 3 4 5
pH值 1 3 5 7 9
降解率0.48806 0.497083 0.613161 0.522456 0.513094
从图中可以看出，二氧化钛的催化效率与pH值有关，在弱酸性的调教下，催化效率达到最高值。

3）光催化剂加入量的影响
在降解液浓度不变及pH=3的情况下，通过Ni-N-TiO2/稻壳灰催化剂加入量的多少(0.01，0.02，0.03，0.04，0.05)，测试其结果如图所示：
表5 不同催化剂加入量下亚甲基蓝降解率
序号 1 2 3 4 5
催化剂加入量0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
降解率% 47.5983753.8263255.0203557.8493963.00543
图5 不同光催化剂加入量下的亚甲基蓝降解率
从图中可以看出，随着催化剂用量的增加，光催化剂的催化性能增强，这可能是一定量的催化剂投加量范围内，吸收光子的几率随液相体系中TiO2的增加而增加，产生的电子-空穴对增加，表面具有更多的氧化还原自由基，因此降解率也增加。

实验总结及讨论：
1）从图中可以看出，二氧化钛的催化效率与PH值有关，在弱酸性的调教下，催化效率达到最高值。

这可能是弱酸性条件适合纳米粒子在溶液中的分散。

由于纳米粒子表面带有电荷，溶液中一些带相反电荷的离子靠库仑引力紧密吸附在粒子表面构成吸附层，形成双电层，双电层产生的屯电位越大，则斥力越大，越有利于粒子的分散，当颗粒的电位等于0时(即等电点)粒子之间的库仑斥力将完全消失。

当库仑斥力远小于范德华力时，粒子将发生团聚。

通常情况下，纳米粒子在溶液中分散得越好，受光照射的面积越大，产生的电子-空穴对越多，同时空穴和电子迁移到TiO2表面的越多，光催化性能就越好。

2）随着催化剂用量的增加，光催化剂的催化性能增强，这可能是一定量的催化
剂投加量范围内，吸收光子的几率随液相体系中TiO2的增加而增加，产生的电子-空穴对增加，表面具有更多的氧化还原自由基，因此降解率也增加。

3）试验中制取二氧化钛胶体时，我们小组是一次性成功制取，因此在第一个环节上有空闲时间，我们与别的小组交流了制取经验。

我们发现其他小组失败的现象都是B液滴进了A液后产生了沉淀的现象。

根据大家的实验特点，我们一起找到了解决方案，那就是控制B液滴入的速度，成功的小组基本上都是控制在至少40s一滴。

这可能是因为形成胶体同样需要反应时间，滴加过快使得反应直接生成沉淀，而沉淀不可能再水解成胶体。

4）烘烤胶体的过程中，底部粉末较黄是正常现象，烧杯底部直接接触热源，吸收热量较多。

5）使用紫外可见光光度计时，一定要注意放石英槽时槽有四个面，其中2个面是磨毛的，一定要让出光口对透明的槽面。

6）取数据时，选取光波长为665nm的吸光度，再用公式算出降解率。

实验体会：
实验前，由于我们小组自己的失误，没有好好预习，导致老师在实验之前的讨论上连实验的基本原理都没有回答出来，是在是汗颜，也可能是这个原因，我们在做实验时也格外认真，实验时我们表现也得到了肯定。

这次实验也让我们明白了，一个再难的问题，只要你用心去研究它，慢慢地，在你了解的它越来越多之后，再难的问题也会变得简单。

另外团队合作也是一个重要的部分，一个能做的总是有限，没有同伴的合作分工，这样一个实验很难做完。

而且肯定手忙脚乱。

其次，在实验中耐心很重要，从制取胶体到烘烤胶体再到煅烧胶体，都是很耗时间的过程，所以做实验的时候必须不急不躁，不能为了省时间而省略到了你认为没有必要却是实验关键的步骤。

最后要感谢朱德春老师给我们进行的实验指导，若非那次的提问，我想我们第一天去做实验肯定是一头雾水。

感谢徐玉龙学长从实验开始以来给予我们的帮助，不厌其烦的回答我们各种各样的问题，给我们指定适宜的实验步骤。

感谢马新兰老师一直守在实验室，给我们提供帮助，我们小组在此在此表示由衷的感谢！。