分享纳米片光降解性能

TiO2 作为一种优良的半导体光催化材料，具有普 通价廉、工艺简单、对环境和人体无害、化学性质稳 定、耐光、耐酸碱腐蚀等优点，在环保和能源方面具有 较大的应用潜能。基于半导体光催化技术的表面反 应特性，对 TiO2 微结构调控成为扩展其光催化性能常用的方法之一。TiO2 微结构调控的研究多集中在形貌 及暴露晶面调控两方面。在形貌调控方面，由 TiO2 转 化而来的纳米管、纳米（空心）球、纳米片及由它们自 组装形成的多级（孔）结构受到人们广泛关注。Kim 等 优化了 TiO2 纳米颗粒的反相胶束法制备工艺，通过探究H2O/钛前驱体、调整 H2O/表面活性剂、温度、氨 水浓度等一系列的参数能够有效地调控合成颗粒的 尺寸以及粒径的分布。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：异丙醇、二乙烯三胺、钛酸四丁酯，分析纯， 阿拉丁工业公司产品；正丙醇、异丙醇，分析纯，天津 市光复精细化工研究所产品；异丙醇钛，分析纯，北京百灵威科技有限公司产品；无水乙醇，分析纯，天津市 杰尔正化工贸易有限公司产品；去离子水，天津工业 大学环境与化学工程学院自制。 仪器：水热合成反应釜，北大青鸟公司产品；上海精宏DHG-9246A鼓风干燥箱；高速离心机，湖南凯达仪器仪表有限公司产品；马弗炉，天 津市中环实验电炉有限公司产品；紫外汞灯，上海季光 特种照明电器厂产品；可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司产品；D/max-2500 型 X 射线衍射仪，日 本理学公司产品；H7650 型透射电子显微镜、S-4800 型场发射扫描电镜，日本日立公司产品；Tecnai G2 F20 T20ST 型高倍透射电子显微镜，FEI 公司产品；K-Aepna 型 X 射线光子能谱，ThemoFisher 科技公司产品。

1.2 表征手段

对样品进行 X 射线照射（XRD），并分析其衍射图 谱，得到材料的晶型和粒径等信息。参数设置：Cu 靶， 扫描步长为 0.02°，扫描速率为 10°/min。样品的微观形 貌、结构和尺寸通过透射电子显微镜（TEM）和高倍透 射电子显微镜（HRTEM）表征。样品的元素组成、价态 通过 X 射线光子能谱（XPS）表征。

1.3 实验方法

1.3.1 合成方法

准确移取 71 mL 醇类溶剂（无水乙醇、正丙醇、异 丙醇、正丁醇）于聚四氟乙烯内衬中，之后向其中依次 加入定量二乙烯三胺和 3.35 mL 异丙醇钛（或钛酸四 丁酯）。搅拌数分钟后，再向混合液中加入 16 μL 的去离子水，之后将聚四氟乙烯内衬放入不锈钢反应釜中，并于电鼓风干燥箱中180 ℃恒温12h。待反应釜冷却至室温，离心，用无水乙醇反复洗涤所得样品，80 ℃ 烘干。最后，将烘干后的样品置于马弗炉中于 430 ℃下 保温 2 h。 1.3.2 光催化性能测试 光催化性能评价实验在自制光催化反应装置中 进行。具体过程为：将 0.05 g 合成的 TiO2 分散于 110 mL 甲基橙水溶液中（约 20 mg/L），并于黑暗环境中搅拌 30 min 以使催化剂与甲基橙溶液达到吸附-解吸平 衡。之后开启 300 W 的高压汞灯进行光照，在规定的 光照时间段移取定量混合液于离心管中。经离心、定容 后，通过紫外-可见分光光度计在 463.8 nm 波长处测定 甲基橙的吸光度（甲基橙的最大吸收波长为 463.8 nm）， 作图得到甲基橙吸光度与时间的变化曲线。

2 结果与讨论

为考察钛源种类对合成 TiO2 微球的影响，分别选 取钛酸四丁酯和异丙醇钛作为钛源，在其他制备条件 不变的情况下合成 TiO2 微球，钛酸四丁酯和异丙醇钛 的加入量均为 3.35 mL。图 1 是以 2 种钛源为原料合成 TiO2微球的透射电镜图片。

从图 1 中可明显观察到：钛酸四丁酯为钛源时， 合成 TiO2 微球是实心球结构，尺寸较大；异丙醇钛为 钛源时，合成 TiO2 微球尺寸较小、且边缘处可清晰看 到自组装成微球的片状结构。为探究溶剂热反应时间对合成 TiO2 微球的影 响，调变溶剂热时间分别为 3 h、6 h、9 h 和 12 h，在其 他制备条件不变的情况下合成 TiO2 微球。合成样品的光降解率随着溶剂热时 间的增加逐步升高。众所周知，半导体光催化技术以 表面反应为主，由以上电镜结果分析可知，随着溶剂 热时间的延长，TiO2 微球的成球率逐渐增加，从而使 其比表面积和{001}晶面暴露率逐渐增大，进而使其光 催化性能增强。综上所述，结合不同溶剂热时间合成 TiO2 微球的 SEM 图片和光催化降解性能结果，本论文 选定合成 TiO2 微球的溶剂热时间为 12 h。

3 结 论

（1）通过调变设计合成 TiO2 微球过程中的钛源、 溶剂、溶剂热时间等工艺条件，获得最佳合成条件为： 以异丙醇为溶剂、异丙醇钛为钛源、二乙烯三胺为盖 帽剂、反应时间为12h，采用一步溶剂热合成均一、分 散性好的暴露{001}晶面 TiO2 纳米片自组装的微球。
（2）电镜结果表明，TiO2 微球具有良好的分散性， 微球边缘处可明显观察到自组装的 TiO2 片状结构，其晶格间距为 0.19 nm，为二氧化钛的（001）面。XRD和XPS结果表明，焙烧后样品呈锐钛矿晶型，样品中含 有 Ti 和 O 元素，以上结果均表明成功合成暴露{001} 晶面的 TiO2 微球。
（3）光催化降解实验表明，合成暴露 {001} 晶面 TiO2 微球具有较好的光催化性能。在紫外光照 15 min 后，甲基橙的降解率便可达到100%。



 

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