溶胶凝胶工艺制备

TiO2纳米粉体的溶胶凝胶工艺制备和光催化活性表征

1972年Flljishima和Honda在《自然》杂志上发表的关于TiO

2

电极上光

分解水的论文，标志着一个多相光催化新时代的开始。从那时起，来自化学、物理、材料等领域的学者围绕太阳能的转化和储存、光化学合成，探索多相光催化过程的原理、致力于提高光催化的效率。目前，光催化消除和降解污染物成为其

中最为活跃的一个研究方向。TiO

2

作为一种光催化剂，越来越受到人们的广泛重

视。利用TiO

2

、ZnO等半导体对有机污染物进行光催化降解，最终生成无毒无味

的CO

2、H

2

O及一些简单的无机物，正逐渐成为工业化技术，这为环境污染的消除

开辟了广阔的前景。

光催化剂是光催化过程的关键部分，光催化剂的活性是光催化能否实现的一个决定性因素。采用溶胶一凝胶（so－gel）工艺制备TiO

2

纳米粉体具有设备投资少、颗粒大小均匀、比表面积大、光催化活性高等一系列优点。本文研究了

TiO

2纳米粉体的 sol－ gel工艺制备，对TiO

2

纳米粉体的物性和光催化活性进

行了表征，分析了不同TiO

2

粉体光催化活性存在差异的原因。1．实验部分

1．1 TiO

2

纳米粉体的制备

依据文献报道，得知Ti（OC

4H

9

）

4

－EtOH－ H

2

O体系的全相区。从图1可以

看出，凝胶区位于 A区，设计组分时，应确定在此区域内，才能得到稳定均匀

的TiO

2凝胶。实验中以钛酸丁酯［TI（OC

4

H

9

）

4

，化学纯］为原料，准确量取一

定量的钛酸丁酯溶于无水乙醇中，缓慢加水使钛酸丁酯水解，得到稳定的TiO

2

凝胶， n（TI(OC

4H

9

)

4

）： n（EtOH）：n(H

2

O)＝3：4：3。TiO

2

凝胶在100℃干

燥10h后,放人马弗炉内，在500℃保温10h，取出自然冷却至室温，研磨即得到TiO

2

纳米粉体。

(A:凝胶形成区,B:镀膜区,C:沉淀区)

图1 Ti(OC

4H

9

)-EtOH-H

2

O体系的全相图

1．2物性分析测试

用日本产SX－40型扫描电镜（SEM）观察了TiO

2

纳米粉体的表面状况和颗粒大小。样品的XRD测试是在德国产HZG4／B－PC型X射线衍射仪上进行的。在英国VG．SCIENTIFIC．LTD公司生产的ESCALAB－MKll型多功能电子能谱仪上对

TiO

2

纳米粉体进行了XPS研究，X射线源为MgKa射线，实验过程中分析室的真空度为10 -7Pa，高分辨扫描谱和全谱的通过能分别为20eV和50eV，扫描步长分别为0．05eV和0．4eV，以样品表面来自 XPS仪器本身的油污染碳（C IS，结合能 Eb＝284．80eV）作为荷电校正标准。BET比表面积是用GEMINI－2360型氮气吸附全自动比表面积分析仪测试。

1．3光催化性能

为了比较TiO

2

粉体的光催化活性，选择甲基橙作为光催化降解的模型化合物。甲基橙是一种较难降解的有色化合物（6），在酸性和碱性条件下的偶氮和配式结构是染料化合物的主体结构，因此，以其作为染料模型化合物具有一定的

代表性。光催化实验是通过125W的高压汞灯照射TiO

2

粉体和甲基橙的悬浮液来

分解水溶液中的甲基橙完成的。具体过程为：将一定量的TiO

2

粉体加人装有质量浓度为10g／L的40mL甲基橙水溶液的石英试管中，石英试管放在距紫外光源6cm处，光源波长范围为320～400nrn，平均紫外辐照强度为 60w／m2，紫外照度计（UV－A型：入：320～400nm；入p=365urn）由北京师范大学光电仪器厂生产。用气泵往溶液中通人空气；其流量为220mL／min，光催化反应一定时间后，反应过程中溶液浓度变化采用751－GD型紫外可见分光光度计测定490处吸光值。因为该浓度范围内的甲基橙溶液在此处具有最大吸光度值，且吸光度值与浓度有很好的线性关系，即浓度ρ与吸光度A在0～20mg／L的浓度范围成正比（A=0·072 5 ρ，相关系数r＝0．997 7）。根据反应物浓度与速度的一级动力学关系式（Inρ0 ／p=kt）［6］，因溶液浓度与吸光度的正比关系，并可得到：InA。／A=kt。采用线性回归分析，可求得各种条件下使用不同催化剂时甲基橙溶液脱色的表现反应速度常数k，用以判断和比较催化剂的活性。为了比较

制备TiO

2纳米粉体的光催化活性，还采用北京化工厂生产的TiO

2

试剂进行了光

催化降解实验。

2.实验结果与讨论

2．TiO

2

纳米粉体表征

图 2表示 sol－ gel艺制备的 TiO

2

纳米粉体涂于玻璃表面的扫描电镜照

片，TiO

2纳米粉体由颗粒直径在40～80nm大小的TiO

2

球形颗粒组成，且颗粒大

小均匀。图3表示亚TiO

2

纳米粉体经500℃。10h热处理后的XRD谱，其晶形为

锐钛矿型。普通TiO

2

粉末经XRD鉴定其晶形也为锐钛矿型。BET比表面积测试表

明： sol－ gel艺制备的 TiO

2纳米粉体的比表面积为66m2／g，而普通TiO

2

粉

体的比表面积为9 m2／g。