下载文档原格式
纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。
环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。
纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。
本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。
标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。
以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。
科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。
1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。
在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。
锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。
所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。
只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。
改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。
光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。
粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。
《纳米TiO2复合材料制备及其光催化性能研究》篇一一、引言随着科技的不断进步和人类对环保问题的日益关注，光催化技术作为新兴的绿色技术领域受到了广泛的关注。
纳米TiO2复合材料作为一种高效的光催化剂，具有广泛的应用前景。
本文旨在研究纳米TiO2复合材料的制备方法及其光催化性能，为实际应用提供理论依据。
二、文献综述纳米TiO2复合材料因其独特的物理和化学性质，在光催化领域具有广泛的应用。
其制备方法、性能及应用已成为研究热点。
目前，制备纳米TiO2复合材料的方法主要包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等。
其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、制备条件温和等优点备受关注。
而光催化性能的研究主要关注其对有机污染物的降解、抗菌性能及自清洁等方面的应用。
三、实验方法（一）实验材料实验中所需材料主要包括TiO2纳米粉体、表面活性剂、溶剂等。
所有材料均需符合实验要求，保证实验结果的准确性。
（二）制备方法本文采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2复合材料。
具体步骤包括：将TiO2纳米粉体与表面活性剂混合，加入溶剂进行搅拌，形成溶胶；然后进行凝胶化处理，得到凝胶；最后进行热处理，得到纳米TiO2复合材料。
（三）性能测试本实验通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对制备的纳米TiO2复合材料进行表征。
同时，通过光催化实验测试其光催化性能，以降解有机污染物为评价指标。
四、实验结果与分析（一）表征结果通过XRD、SEM和TEM等手段对制备的纳米TiO2复合材料进行表征。
结果表明，制备的纳米TiO2复合材料具有较高的结晶度和良好的分散性。
（二）光催化性能测试结果以降解有机污染物为评价指标，对制备的纳米TiO2复合材料进行光催化性能测试。
结果表明，该材料具有优异的光催化性能，能够有效降解有机污染物。
此外，我们还研究了不同制备条件对光催化性能的影响，为优化制备工艺提供依据。
五、讨论本实验研究了纳米TiO2复合材料的制备方法及其光催化性能。
TiO2纳米粒子的制备及光催化性能研究一、实验目的1. 了解TiO2纳米多相光催化剂的催化原理及其应用;2. 掌握纳米金属氧化物粒子粉体的制备方法；3. 掌握多相光催化反应的催化活性评价方法；4. 了解分析催化剂结构及性能之间关系的方法。
二、仪器与药品四氯化钛(TiCl4)、钛酸四丁酯［Ti(0Bu)4］、罗丹明B盐酸、硝酸、无水乙醇、去离子水、磁力搅拌器、烘箱、控温马弗炉、低速离心机、分光光度计烧杯、离心试管、容量瓶、移液管三、实验原理1. TiO2纳米粒子的制备反应原理本实验采用有机和无机两种钛盐前体来制备TiO2纳米粒子(1) .以钛酸四丁酯Ti(0Bu)4为前体通过溶胶-凝胶法制备TiO2纳米粒子以钛醇盐Ti(OR)4( R为-C2H5, -C3H7, -C4H9等烷基)为原料，在有机介质中通过水解、缩合反应得到溶胶，进一步缩聚制得凝胶，凝胶经陈化、干燥、煅烧得到纳米TiO2, 其化学反应方程式如下：水解：Ti(OR) 4 + nH20 - Ti(OR)(4-n) (0H)n + nROH缩聚：2Ti(OR)(4-n)(OH)n - ［Ti(OR)(4-n)(。
册母。
+ 出0制备过程中各反应物的配比、搅拌速度及煅烧温度对所得TiO2纳米粒子的结构和性质都有影响。
⑵.以四氯化钛(TiCl4)为前体水解制备TiO2纳米粒子由于Ti离子的电荷/半径比大，具有很强的极化能力，在水溶液中极易发生水解。
发生的化学反应方程式如下：TiCl4 + 2H2O >TiO2 + 4HCl制备过程中各反应物的配比、反应温度、搅拌速度、溶液pH值及煅烧温度对所得TiO2纳米粒子的结构和性质都有影响。
2. TiO2光催化原理根据固体能带理论，如图1所示，TiO2半导体的能带结构是由一个充满电子的低能价带(valenee band, VB.)和空的高能导带(conduction band, C.B.)构成。
价带和导带之间的不连续区域称为禁带(禁带宽度Eg)。
纳米N-TiO2的制备、表征及光催化性能研究王立艳;张晓佳;李嘉冰;肖姗姗;毕菲;赵丽;盖广清【摘要】硫酸氧钛水解制备纳米二氧化钛前驱体,再加入尿素为氮源,经高温焙烧制备了氮掺杂纳米二氧化钛(N-TiO2)光催化剂.利用X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)等手段对样品进行了表征.讨论了n(氮)/n(钛)、焙烧温度对纳米二氧化钛晶态结构、吸收光谱范围的影响,以罗丹明B为目标降解物,研究了样品在不同光源下的光催化活性.结果表明,样品均为锐钛矿型,粒径约为30～50 nm.氮掺杂使二氧化钛在可见光区吸收明显增加,当n(氮)/n(钛)为5、焙烧温度为600℃时,样品S600-5在可见光区吸收最强.以样品S600-5为催化剂,紫外光作用下,罗丹明B降解120 min时降解率达96.3％;可见光作用下,降解120 min时降解率达89.2％.【期刊名称】《无机盐工业》【年(卷),期】2018(050)010【总页数】5页(P82-86)【关键词】硫酸氧钛;氮掺杂纳米二氧化钛;尿素;可见光;光催化【作者】王立艳;张晓佳;李嘉冰;肖姗姗;毕菲;赵丽;盖广清【作者单位】吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118;吉林建筑大学材料科学与工程学院建筑节能技术工程实验室,吉林长春130118【正文语种】中文【中图分类】TQ134.11纳米二氧化钛由于其无毒、化学稳定性好、成本低等特性，在空气净化、涂料、污水处理等领域具有广泛的应用前景［1-4］。
TiO2光催化剂及其性能研究随着人们对环境保护意识的逐渐增强，环境问题已经成为人们关注的重要议题之一。
其中，水污染问题尤其严重，如何有效地处理废水和污水已经成为一个重要的研究领域。
而TiO2光催化剂，作为一种重要的废水处理材料，已经受到越来越多的关注。
TiO2光催化剂，简单来说，就是一种以二氧化钛（TiO2）为主要组成部分的催化剂。
通过光照的方式，能够将废水中的有机物和无机物分解为水和二氧化碳等环境友好的物质。
相比于传统的化学废水处理方法，TiO2光催化剂不需要添加大量的化学物质，不会产生二次污染，并且在处理污水的同时还能够利用太阳光进行自我再生，降低了经济成本。
在TiO2光催化剂的研究中，主要有以下几个方面需要注意。
第一，TiO2的晶相类型。
TiO2晶相类型的不同对其光催化性能有着显著的影响。
在一般情况下，锐钛矿相（anatase）的TiO2比金红石相（rutile）的TiO2具有更好的光催化性能。
因此，在TiO2光催化剂的制备和研究中，需要选择锐钛矿相的TiO2作为主要的组成部分。
第二，TiO2的表面积。
TiO2的表面积越大，其光催化活性就越高。
因此，在TiO2光催化剂的制备中，需要采用纳米材料制备方法，以获得高表面积的TiO2纳米颗粒。
同时，为了进一步提高TiO2的表面积，一些研究人员还通过表面修饰等方式，对TiO2纳米颗粒进行了进一步改进。
第三，TiO2的光吸收范围。
由于TiO2只能吸收紫外线（UV）光线，因此其在太阳光照射下的催化活性受到了很大的限制。
为了解决这个问题，研究人员提出了一系列方案，如添加其他光吸收剂或利用掺杂的方法扩展TiO2的吸收范围。
这些方法在提高TiO2的光催化活性方面取得了显著的进展。
除了上述三个方面，还有一些其他的TiO2光催化剂相关研究也十分重要。
例如，TiO2光催化剂的载体、光照条件、反应器类型以及催化剂复合材料等问题都需要得到有效的解决。
同时，在实际应用中，TiO2光催化剂也需要考虑到一些具体的问题，如操作成本、催化剂寿命等方面的问题。
液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究卢浩杰唐思思黄燕平陈淑琼（中南大学化学化工学院，长沙，410083）摘要：分别采用液相水解法制备了纳米TiO2粉体、掺杂ZnO纳米TiO2粉体和水热法制备了纳米TiO2粉体，并以甲基橙溶液的光催化降解为模型反应，考察所制备的TiO2纳米晶的光催化活性，并对不同溶液的光催化活性做了进一步的比较。
关键词：纳米TiO2；液相水解法；水热法；光催化性能前言半导体氧化物在光催化以及光电化学的应用是当今科学研究的热点。
纳米TiO2是N2型半导体氧化物，具有优良的光学和电学性质、化学稳定性好、成本低、安全无毒、无二次污染等优点而备受青睐，不仅用于气相以及水溶液中有机污染物的降解、除臭、自洁以及杀菌灭菌，而且应用于光-电转换。
水热法是制备氧化物纳米晶体的重要方法，是指在密闭体系中，以水为溶剂，在一定温度、水自生压力下，原始混合物进行反应，通常在不锈钢反应釜内进行。
水热法[1]与其它方法相比、具有以下特点：(1)反应在高温高压下进行，能实现常规条件下无法进行的反应；(2)通过温度、酸碱度、原料配比等条件的改变，能得到各种晶体结构、组成、形貌以及颗粒尺寸的产物；(3)可直接得到结晶良好的粉体，无须高温焙烧晶化；(4)过程污染小。
1 实验部分1.1 试剂与仪器试剂：四氯化钛，乙醇，甲基橙，氧化锌（以上试剂为分析纯），氨水，蒸馏水等。
仪器：电磁搅拌器，鼓风式恒温干燥箱（0~300℃），马弗炉，电子天平，高温反应釜，紫外反应箱，分光光度计，烧杯等实验室常用的玻璃仪器。
1.2 TiO2光催化原理TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为 3.2ev（锐钛矿），当它受到波长小于或等于387.5nm的光（紫外光）照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）；而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图1图1 TiO2光电效应示意图如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。
液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究摘要：分别采用液相水解法制备了纳米TiO2粉体、掺杂ZnO纳米TiO2粉体和水热法制备了纳米TiO2粉体，并以亚甲基蓝溶液的光催化降解为模型反应，考察所制备的TiO2纳米晶的光催化活性，并对不同溶液的光催化活性做了进一步的比较。
关键词：纳米TiO2；液相水解法；水热法；光催化性能1 前言半导体氧化物在光催化以及光电化学的应用是当今科学研究的热点。
纳米TiO2 是N2型半导体氧化物,具有优良的光学和电学性质、化学稳定性好、成本低、安全无毒、无二次污染等优点而备受青睐,不仅用于气相以及水溶液中有机污染物的降解、除臭、自洁以及杀菌灭菌,而且应用于光-电转换。
水热法是制备氧化物纳米晶体的重要方法,是指在密闭体系中,以水为溶剂,在一定温度、水自生压力下,原始混合物进行反应,通常在不锈钢反应釜内进行。
水热法[1]与其它方法相比、具有以下特点: (1)反应在高温高压下进行,能实现常规条件下无法进行的反应; (2)通过温度、酸碱度、原料配比等条件的改变,能得到各种晶体结构、组成、形貌以及颗粒尺寸的产物; (3)可直接得到结晶良好的粉体,无须高温焙烧晶化;(4)过程污染小。
2 实验内容（1）仪器和试剂试剂：四氯化钛，乙醇，甲基橙，氧化锌（以上试剂为分析纯），氨水，蒸馏水等。
仪器：电磁搅拌器，鼓风式恒温干燥箱（0~300℃），马弗炉，电子天平，高温反应釜，紫外反应箱，分光光度计，烧杯等实验室常用的玻璃仪器。
（2）TiO2光催化原理TiO2属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev（锐钛矿）,当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e-）;而价带中则相应地形成光生空穴(h+)，如图TiO2光电效应示意图如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。
TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH自由基，·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。
反应过程如下：TiO2+ hv → h+ +e- (3) h+ +e-→热能（4）h+ + OH- →·OH (5) h+ + H2O →·OH + H+ (6)e- +O2→ O2- （7） O2+ H+ → HO2· (8)2 H2O·→ O2+ H2O2(9) H2O2+ O2→·OH + H+ + O2(10)·OH + dye →···→ CO2 + H2O (11)H+ + dye →···→ CO2 + H2O (12)由机理反应可知,TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。
（3）TiO2的制备①液相水解法a.量取2mlTiCl4于50ml蒸馏水中，同时剧烈搅拌，搅拌均匀后，用1M氨水调pH值到6.0，得到白色胶体；b.将胶体减压抽滤，用去离子水洗涤滤饼，脱去其中氯离子（直至AgNO3检测不出）；合成方法如上c.分别移入500℃的马弗炉进行热处理2个小时，得到TiO2颗粒；d.在上述制备中掺入5%ZnO,作为掺杂的TiO2。
合成方法如上；②水热法a.量取8mlTiCl4于50ml蒸馏水中，同时剧烈搅拌，搅拌均匀后，用10M的KOH调pH值到10；b. 将溶液移入放入衬有聚四氟乙烯的100ml高压反应器中，在180的水热反应2h,反应完全后离心，滤饼分别用蒸馏水和丙酮洗涤后在80~100下干燥的产物；c.将上述产物分别移入500的马弗炉进行热处理2个小时，得到不同晶相TiO2颗粒；（4）催化性能的测试配置10mg/L的亚甲基蓝溶液作为光降解液，分别将0.28g不同方法制备的催化剂溶入150ml亚甲基蓝溶液中，并作一个空白。
搅拌20min后将此亚甲基蓝移入紫外反应箱中，然后打开紫外灯照射；在催化反应一定时间间隔（20min，40min，60min，80min，100min）内取样，样品在分析前离心分离10min，上层滤液用0.2um滤膜过滤，使用722型分光光度计在340nm处测量其吸光度，通过测定亚甲基蓝溶度的下降沉降速度来衡量其光催化活性。
将0.28g掺杂的光催化剂平均分成三份，分别加入50ml对硝基苯胺水溶液（50mg/l），50ml28mg/l的甲基橙溶液，50ml含1ml0.0011mol/l的罗丹明B水溶液中，搅拌均匀后，先测定0min时刻的吸光度值，然后将三个溶液放在紫外反应箱中照射100min后，测定其吸光度值，进行比较。
3实验结果与讨论亚甲基兰0.01g/l（λ=340nm）（TiO2的质量：0.28g）表一不同制备方法得出的TiO2对亚甲基蓝的光催化效能比较时间/min 20 40 60 80 100水解法的A 1.120 0.965 0.985 1.020 1.080水解法+锌离子A0.373 0.345 0.324 0.360 0.302水热法0.136 0.126 0.132 0.110 0.116由表一可知，水热法制备的TiO2对亚甲基蓝的光催化效果是最好的。
204060801000.960.981.001.021.041.061.081.101.121.14A t/min图1 液相水解法制备的光催化剂对亚甲基蓝的催化性能由图1可以看出，随着光催化时间的延长，曲线呈现先下降后上升的趋势，这与理论结果不符，可能原因是离心过程中上层清夜不是很澄清，而比较浑浊，对结果造成了一定的影响，而离心时间长短对光催化结果也会产生一定影响，时间长点，吸光度值会偏小。
204060801000.300.310.320.330.340.350.360.370.38At/min图2 液相水解法制备的光催化剂掺杂后对亚甲基蓝的催化性能由图2可以得知，随着光催化时间的延长，曲线整体呈现下降趋势，而由于80min 的离心时间较其他时间的离心时间短，导致所得到的上层清夜不是很澄清，对结果产生了较大的影响，故数据和理论有一定的出入。
对比图1和图2，在TiO2中掺杂Zn2+，可大大提高有机物的去除率。
这是因为Zn2+均为电子接受体，由于Zn2+对电子的争夺，减少了TiO2表面电子—空穴对的复合，从而使TiO2表面产生了更多的·OH 和O2-，使有机物去除率提高较快。
同时，Zn2+能够吸附在TiO2粉体上，产生氧气高效生成的现象，这也有助于提高去除率。
故图2的数据明显比图1好。
204060801000.1100.1150.1200.1250.1300.1350.140A t/min图3 水热法制备的光催化剂对亚甲基蓝的催化性能由图3可以得知，随着光催化时间的延长，曲线整体呈现下降趋势，与理论大致符合。
对比图1和图3可知，水热法制备的TiO 2对亚甲基蓝的催化效果较好，水热法制备的产品较液相水解法明显颗粒较细且分散均匀，催化剂粒径的大小直接影响光催化活性。
当粒子的粒径越小时，单位质量的粒子数越多，比表面积越大。
对于一般的光催化反应，在反应物充足的条件下，当催化剂表面的活性中心密度一定时，表面积越大吸附的OH -越多，生成更多的高活性的·OH ，从而提高了催化氧化效率。
当粒子的大小在1-100nm 级时，就会出现量子效应，成为量子化粒子，使得h +-e -对具有更强的氧化还原能力，催化活性将随尺寸量子化程度的提高而增加。
另外，尺寸的量子化可以使半导体获得更大的电荷迁移速率，使h +与e -复合的几率大大减小，因而提高催化活性。
对比图2和图3可知，水热法制备的TiO 2对亚甲基蓝的催化效果更佳，而理论上是液相水解法掺杂的TiO 2对亚甲基蓝的催化效果更佳，这是因为在TiO2中掺杂Zn2+，可大大提高有机物的去除率。
这是因为Zn2+均为电子接受体，由于Zn2+对电子的争夺，减少了TiO2表面电子—空穴对的复合，从而使TiO2表面产生了更多的·OH 和O2-，使有机物去除率提高较快。
同时，Zn2+能够吸附在TiO2粉体上，产生氧气高效生成的现象，这也有助于提高去除率。
而此结果是水热法的效果更佳，可能是因为催化剂颗粒的大小对光催化的效果影响更大。
实验中做的亚甲基蓝光解液是作为探讨的实验，没有经过多次试验，没有调pH ，所以可能没有在适宜的pH 下使得TiO 2光催化效果达到最好。
表二 水解法制备的TiO 2掺杂Z n O 对不同染料的光催化效能比较溶液 t=0min 的吸光度A t=100min 的吸光度A 亚甲基蓝（空白）λ=340nm 0.098 0.070 甲基橙λ=460nm 1.930 1.797 对硝基苯胺λ=380nm 1.495 1.076 罗丹明B λ=557nm 1.011 1.233由表2可求知，空白亚甲基蓝的光催化速率是-40.098-0.070=2.810100⨯ 掺杂的TiO 2对甲基橙的光催化效率是-31.93-1.797=1.3310100⨯掺杂的TiO 2对对硝基苯胺的光催化速率是-31.495-1.076=4.1910100⨯ 掺杂的TiO 2对罗丹明B 的光催化速率是-31.011-1.233=-2.2210100⨯由上述结果可知，罗丹明B 的数据结果可能有差错，催化过的罗丹明B 溶液的吸光度值反而变大，出现误差的可能原因：1） 测定此三者的吸光度时，未将测过亚甲基蓝的比色皿清洗干净，干扰了测定结果；2） 离心效果没有很好，有沉淀；3） 紫外灯箱照射时，表层液体与深层液体照射不均匀，整个溶液表现的催化效果不一致，表层液体催化效果好些，而取液时取得是下层液体；4） 罗丹明B 溶液经紫外光照前没有调pH ，可能影响其结果。
由表2可知，未加任何光催化剂的亚甲基蓝的吸光度随着紫外照射时间的延长，有一定的改变，说明紫外光照对降解液有一定的催化分解作用，所以与表1结合起来比较，上述三个图的某些变化可能与紫外光照的催化催化分解作用的影响；掺杂的TiO 2对对硝基苯胺的催化效果大于对甲基橙的光催化效果，说明同种催化剂对不同种类的色素的光催化分解活性是不同的。
4.结论①水热法制备的产品较液相水解法的光催化活性明显好些，催化剂粒径的大小直接影响光催化活性。
由于传统方法会导致颗粒的硬团聚，而水热法制备的产品颗粒细小而且分散均匀，故水热法是制备纳米TiO 2粉体的常用方法。
