介孔二氧化钛的制备

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.。

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。

2009年第28卷第3期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·453·化工进展二氧化钛介孔材料的制备黄靓1,2，李俊2，王军1（1东华大学环境科学与工程学院，上海 200051；2上海应用技术学院化工系，上海 200233）摘要：基于溶胶-凝胶过程，以十六烷基溴化铵为模板剂，合成了TiO2以及V/Ce/F-TiO2 介孔材料。

利用XRD、Ｎ２吸附、TEM、TG-DTA和UV-Vis DRS等手段表征了材料的晶相组成、晶粒尺寸、介孔结构、热稳定性及吸光性能。

通过系统研究表明，延长凝胶时间和优化陈化工艺可以得到TiO2介孔材料。

TiO2和V/Ce/F/TiO2的平均孔径为3.1～5.1 nm，最大比表面积可达189 m2/g。

焙烧温度大于450 ℃脱除模板剂时可引起孔道的塌陷，而掺杂V/Ce/F后可稳定材料的介孔结构。

相对于纯TiO2光催化剂，掺杂V/F的TiO2吸光带边红移至可见光区。

关键词：介孔TiO2；溶胶-凝胶；陈化时间；陈化温度；掺杂中图分类号：O 643 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2009）03–0453–05Synthesis and characterization of TiO2 mesoporous materialsHANG Liang1,2，LI Jun2，WANG Jun1(1 Institute of Environment Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 200051，China; 2 Department ofChemical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 200233，China)Abstract：Using cationic surfactant cetyltrimethylammonium bromide（CTAB）as the template，TiO2 and V/Ce/F-TiO2 mesoporous materials were synthesized by sol-gel method and characterized by X-ray powder diffractometry (XRD)，N2 absorptiometry，transmission electron microscope (TEM)，thermal analyses (TG-DTA) and UV-Vis DRS．By systematically studying the influence of the synthesis parameters such as gelling time，aging temperature and time，the optimal conditions for reproducible synthesis of mesoporous titania were established. Specific area up to 189 m2·g－1 was obtained with average pore size in the range of 3.1—5.1 nm. The mesoporous structure of pure TiO2 could be destroyed by removal of template at a calcination temperature of 450 .℃ However，the mesoporous structure of V/Ce/F-TiO2 which removed template by calcination was retaine，which suggests that the mesoporous structure can be stabilized by the doped ions. Shift of the adsorption edge to visible light was found for the doped mesoprous TiO2.Key words：TiO2 mesoporous materials；sol-gel；aging time；aging temperature；doping近年来，利用模板剂自组装法已成功地合成了TiO2介孔分子筛，且TiO2介孔分子筛由于其规则的孔道结构以及良好的吸附性能而具有非孔性TiO2纳米材料所没有的优异性能。

介孔二氧化钛的制备及其光催化性能何秀;程宝箴;孙冬兰;王小聪【摘要】以异丙醇钛为前躯体，十六烷基三甲基溴化铵为模板剂，采用溶胶-凝胶法合成介孔二氧化钛．通过X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面积测定仪对样品进行表征．以亚甲基蓝溶液为光催化降解对象，研究二氧化钛用量及不同模板剂对光催化性能的影响．实验结果表明：当催化剂用量在0.50,g/L时，反应4,h后亚甲基蓝的降解率可达到99.1%；在3种模板剂中，以十六烷三甲基溴化铵为模板剂合成的介孔二氧化钛光催化效果最好．%Mesoporous titania was synthesized via a sol-gel method by using isopropyl titanate as the precursor and cetyl trimethyl ammonium bromide as the template. X-ray diffraction(XRD),scanning electronmicroscope(SEM),transmission electron microscope(TEM)and BET surface area measurement were used to characterize the product. Methyl blue was used as the object of photocatalytic degradation,and the influence of TiO2 dosage and different kinds of template on the photo-catalytic performance was studied. The result indicated that the degradation rate of methyl blue could reached 99.1%within 4,h when the amount of catalyst was 0.50,g/L. Preparation of mesoporous titania using cetyl trimethyl ammonium bromide as template gave the best photocatalytic activity among the three kinds of template.【期刊名称】《天津科技大学学报》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P24-27)【关键词】介孔二氧化钛;模板剂;光催化;亚甲基蓝【作者】何秀;程宝箴;孙冬兰;王小聪【作者单位】天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457;天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457;天津科技大学理学院，天津 300457;天津科技大学理学院，天津 300457【正文语种】中文【中图分类】O64按照国际纯粹和应用化学联合会的定义，多孔材料中孔径介于2～50,nm 的称为介孔材料[1].根据组分的不同，介孔材料大致可分为硅基材料和非硅基材料.1992年，Kresge 等[2]以烷基季铵盐表面活性剂为模板剂首次合成了M41 系列氧化硅基有序介孔分子筛；1995年，Antonelli 等[3]以钛酸异丙酯为前躯体以及十四烷基磷酸酯为模板剂，采用溶胶–凝胶法首次合成了六角晶系纯TiO2介孔分子筛.目前，越来越多研究人员正致力于非硅基介孔材料的研究，以展示硅基介孔材料所不能及的应用前景.有序介孔TiO2孔径小、比表面积高且具有有序的孔道结构，在光催化等诸多领域有潜在的应用价值，成为非硅基介孔材料的研究热点之一[4–6].本文以异丙醇钛为前驱体，采用溶胶–凝胶法制备了介孔TiO2，主要考察了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂时TiO2光催化降解亚甲基蓝溶液的催化活性.1 材料与方法1.1 试剂与仪器异丙醇钛、异丙醇、乙醇、冰醋酸、盐酸、亚甲基蓝、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、CTAB、聚氧化乙烯–聚氧化丙烯–聚氧化乙烯(P123)，均为分析纯.自制光催化反应器(如图 1 所示)；Rigaku 97D/max–2500 型广角X 射线衍射仪(XRD)；JSM6380型扫描式电子显微镜(SEM)、JEM–100CX 透射电子显微镜(TEM)，JEOL 公司；SP–2102UV 型紫外可见分光光度计，上海光谱仪器有限公司；autosorb 型比表面积和孔隙度分析仪，Quantachrome 公司；KQ3200DE 型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；LG10–2.4A 型离心机，北京医用离心机厂；马弗炉，洛阳市西格玛仪器有限公司；150,W 金卤灯，飞利浦公司. 图1 光催化反应器示意图Fig.1 Photocatalytic reactor1.电源；2.冷却水进口；3.冷却水出口；4.冷却装置；5.光源；6.搅拌磁子；7.玻璃反应器；8.取样口；9.集热式恒温加热磁力搅拌器1.2 二氧化钛的制备异丙醇作为溶剂和分散剂，冰醋酸和浓盐酸分别作为螯合剂、抑制剂，这些物质都能使反应的水解速率得到控制.在常温下将20,mL 的异丙醇钛加入装有异丙醇的烧杯中，同时加入模板剂混合均匀，此时形成亮黄色澄清溶液，记为A 液.水和乙醇的混合液记为B液.B 液逐滴加入A 液中，用冰醋酸和盐酸调节反应体系的pH 为2～3，滴完继续搅拌1,h，此时形成透明状湿凝胶.湿凝胶在室温下陈化48,h 后放入烘箱中，在80,℃下烘6,h 后形成干凝胶.此干凝胶经研磨、煅烧后成介孔二氧化钛.实验中的模板剂为阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，同时比较了阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和三嵌段共聚物P123 作为模板剂时的光催化效果.在制备过程中分别使用其中一种表面活性剂，反应物的配比为n(异丙醇钛)∶n(异丙醇)∶n(蒸馏水)∶n(CTAB)∶n(SDBS)∶n(P123)＝1 ∶23 ∶6.6∶0.02∶0.02∶0.006，将前驱体在450,℃煅烧4,h后得到最终产品.1.3 二氧化钛光催化降解亚甲基蓝首先测定亚甲基蓝标准溶液的吸光度，然后以质量浓度ρ 为横坐标、吸光度A 为纵坐标绘制标准曲线，对曲线进行拟合，得出回归方程A＝0.166,0,ρ-0.018,0，相关系数为0.999,7.光催化反应在自制的光催化反应器中进行，反应温度为室温.光降解具体过程为：将研磨后的粉末样品加入到200,mL 质量浓度为10,mg/L 的亚甲基蓝溶液中，避光搅拌1,h，使催化剂充分分散并达到吸附平衡，开启150,W 的飞利浦金卤灯作为光催化光源.在降解过程中每隔 1,h 抽取少量反应液，在转速为10,000,r/min 下离心后测其吸光度，然后根据回归方程换算成对应的质量浓度，计算亚甲基蓝的降解率.式中：ρ0为亚甲基蓝溶液的初始质量浓度(已扣除暗态吸附)；ρt为t 时刻亚甲基蓝溶液的质量浓度.1.4 分析方法采用XRD 仪测定TiO2的晶型结构；采用扫描电镜和透射电镜观察TiO2的形貌；采用比表面积和孔隙度分析仪测定TiO2的比表面积和孔径分布；采用紫外分光光度计在亚甲基蓝最大吸收波长(664,nm)下测定亚甲基蓝溶液的吸光度，计算降解率.2 结果与讨论2.1 TiO2的表征以阳离子表面活性剂CTAB 为模板剂制备的介孔二氧化钛表征如下.图2 是样品在450,℃煅烧后的XRD 谱图.由图2 可见，2,θ＝25.4°、37.9°和48.1°有明显的衍射峰，这与PDF 卡片4-477 一致，分别对应锐钛矿TiO2的(101)面、(004)面和(200)面.此外，图中并无杂峰出现，说明样品的纯度很高，为锐钛矿TiO2.图2 TiO2的XRD谱图(450 ℃煅烧)Fig.2 XRD patterns of TiO2calcined at 450,℃样品的SEM、TEM 照片如图3所示，样品的脱附曲线及孔径分布曲线如图4 所示.从SEM 图中可知样品的形状为球形，且团聚现象较明显，这是因为介孔TiO2的表面活性高，容易形成聚集体和富聚集体.从TEM 图可以看出合成的二氧化钛是多孔的，进一步的氮吸附实验结果揭示了孔的大小约为5,nm.图3 TiO2的SEM和TEM照片Fig.3 SEM image and TEM image ofTiO2calcined at 450,℃图4 TiO2脱附曲线及孔径分布曲线Fig.4 Desorption profile and pore size distribution of TiO2从孔径分布图中可以看出该样品的孔径在4～6,nm 分布较多.通过计算可知该样品的比表面积为94.422,m2/g，而德国degussa 公司产的P25 的比表面积仅为50,m2/g 左右.2.2 TiO2光催化性能的评价2.2.1 不同模板剂对TiO2光催化性能的影响实验过程中采用了CTAB、SDBS、P123 作为模板剂，不同模板剂制得的介孔TiO2对亚甲基蓝降解率的影响如图5 所示.图5 不同模板剂对TiO2光催化性能的影响Fig.5 Photocatalytic performance of TiO2in different templates在光催化实验时各种催化剂的加入量均为0.5,g/L.由图5 可知，CATB 作模板剂时光催化效果最好，P123 次之，SDBS 稍差些，当光照4,h 时亚甲基蓝的降解率分别为99.1%、90.88%和73%，而不加模板剂时的降解率仅为50%.这是因为：与介孔材料相比，非介孔材料的比表面积更低，从而使它表面吸附的水和羟基更少，而水和羟基可与催化剂表面光激发的电子–空穴发生反应生成羟基自由基，羟基自由基是降解有机物的强氧化剂，所以按照同样的制备方法，非介孔材料的催化性能会更低.而以CTAB 为模板剂形成的胶束和异丙醇钛间会通过静电力相互作用，增加了其结构导向作用，所以其光催化活性相对更高.2.2.2 TiO2用量对光催化性能的影响以阳离子表面活性剂CTAB 为模板剂制备的介孔二氧化钛作为催化剂进行后续实验.催化剂用量对TiO2光催化性能的影响如图6 所示.由图6 可知：当加入0.50,g/L TiO2粉末且不光照时，亚甲基蓝几乎不降解.TiO2的加入量分别为0.17、0.34、0.50、0.75,g/L 时，亚甲基蓝在 4,h 时的降解率分别为49.1%、95.6%、99.1%和87.4%.这说明随着催化剂用量的增加，TiO2光催化性能开始有明显的提高，随后趋于平稳；当继续增加催化剂的量时，TiO2光催化性能开始下降.这是因为增加催化剂的用量，它与亚甲基蓝的接触更多，从而增加了降解率；而催化剂用量过多会影响光的透过率，这样催化效果就要开始下降.当催化剂用量在0.50,g/L 时，亚甲基蓝的光催化效果最好.当不加催化剂只光照时，亚甲基蓝经过4,h 的光照后其降解率仅为36.6%.图6 催化剂用量对TiO2光催化性能的影响Fig.6 Different concentration ofTiO2photocatalyst powder and the photocatalytic performance of TiO22.3 光催化反应机理亚甲基蓝在避光搅拌的过程中首先吸附在TiO2的表面，开启金卤灯后，TiO2受到光的照射产生电子–空穴对，随后电子–空穴对产生氧化性基团，其光催化过程如下[7]：产生的氧化性基团对亚甲基蓝进行降解.亚甲基蓝经降解后，溶液的颜色逐渐变浅，当二氧化钛的加入量合适时，溶液的颜色趋于无色.其光催化氧化过程可以表示为3 结论以异丙醇钛为原料，采用溶胶–凝胶法制备的介孔TiO2光催化剂在金卤灯的照射下有一定的光催化活性.在实验范围内，催化剂的用量对介孔TiO2光催化活性有一定的影响，当催化剂用量在0.50,g/L 时，亚甲基蓝的光催化效果最好.同时，用不同的模板剂得到的介孔TiO2光催化效果不同，用阳离子表面活性剂CTAB 做模板剂的光催化效果要优于用阴离子表面活性剂SDBS 和三嵌段共聚物P123.参考文献：［1］Ciesla U，Schüth F.Ordered mesoporous materials[J].Microporou s and Mesoporous Materials，1999，27(2/3)：131-149.［2］Kresge C T，Leonowicz M E，Roth W J，et al.Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquidcrystal templatemechanism[J].Nature，1992，359：710-712.［3］Antonelli D M，Ying J Y.Synthesis of hexagonally packed mesoporous TiO2by a modified sol-gel method[J].Angewandte Chemie International Edition in English，1995，34(18)：2014-2017.［4］Tseng W J，Chao P S.Synthesis and photocatalysis of TiO2hollow spheres by a facile template-implantation route[J].Ceramics International，2013，39(4)：3779-3787.［5］Liu S Z，Sun H Q，Liu S M，et al.Graphene facilitated visible light photodegradation of methylene blue over titanium dioxide photocatalysts[J].Chemical Engineering Journal，2013，214：298-303. ［6］田从学，张昭，张明俊，等.工业钛液制备介孔TiO2及其光催化性能研究[J].四川大学学报：工程科学版，2009，41(2)：103-107.［7］Hoffmann M R，Martin S T，Choi W，et al.Environmentalapplications of semiconductor photocatalysis[J].Chemical Reviews，1995，95(1)：69-96.。