二氧化钛包覆聚合物的复合微球的制备及其光催化性能研究

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1、摘要在社会和经济快速发展的同时，人类赖以生存的环境也遭到不同程度的污染破坏，在环境治理中Ti02由于化学性质稳定、抗光腐蚀、便宜、无毒并具有较高活性而得到了广泛的研究与应用。虽然如此但其有三个主要的缺点：①量子产率低(约4％)，总反应速率较慢，难以处理量大且浓度高的工业废气和废水；②太阳能利用率低，由于Ti02的能带结构决定了其只能吸收利用太阳光中的紫外线部分，而不能充分利用太阳光的可见光部分；③光催化剂的负载技术，难以在既保持高的催化活性又满足特定材料的理化性能要求的前提下，在不同材料表面均匀、牢固地负载催化剂，使得催化剂不易分离再生。为了改善Ti02的催化效率，并提

2、高太阳能的利用率，提高其光催化反应的活性和选择性，目前主要针对TiOz进行过渡会属离子掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化、增加表面缺陷结构以及减小颗粒大小等方法来提高其量子效率以及扩展其光谱响应。本研究同时从控制Ti02粒子的聚集态结构以及减小粒子大小这两方面来提高Ti02光催化的性能目的。本研究选用硬模板法来制备Ti02的壳层材料，选用一种特许的带正电的共聚单体和苯乙烯共聚合，使合成后的模板表面带电，以利于Ti02的包覆。然后以此共聚合微球为模板，在温和条件下，采用溶胶～凝胶的方法制得表面均匀包覆一层Ti02的壳层材料，最终目的为了提高Ti02的光催化性能。

3、首先研究了单分散的共聚微球模板的合成以及机理，确定了共聚合单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺(MTC)，共聚合微球制备的工艺路线和反应装置。选定最佳聚合时间为20小时，合成了单分散的共聚微球。采用FT—IR，1H—NMR对共聚物结构进行了表征，结果显示MTC已经联入PS分子链中，形成了苯乙烯一甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺(PS．MTC)共聚物；通过粘度的方法测定了共聚物PS—MTC的分子量，为M=3．86×105。接着研究了各主要影响因j素，引发剂(AIBN)、分散剂(PVP)、共聚单体(MTC)对聚合物微球粒径尺寸、粒径尺寸分布及表面形貌的影响，最后确定了最佳参数条件

4、。最后，以此聚合物微球为模板通过溶胶一凝胶方法制备Ti02包覆聚合物的复合微球，同时研究各主要影响因素，前驱体钛酸四丁酯(TBT)的加入量、氨水的滴加速度、不同共聚单体的用量对Ti02包覆后的颗粒粒径以及形貌影响，并确定最佳工艺条件。在最佳参数条件下，制备壳层为单层Ti02粒子密排列的复合微球，最后在甲基橙体系中研究其光催化性能。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)对聚合物微球，Ti02聚合物复合微球，Ti02中空微球进行了观测研究。结果发现：引发剂(AIBN)用量、分散剂(PVP)量都对微球的粒径尺寸及粒径尺寸分布有影响，AIBN加入量在O．4一O．89，P

5、VP在39时能得到尺寸为1．5—1．8um单分散的微球。MTC的量不影响共聚微球的尺寸分布，在MTC量为0．2—0．49时表面非常光滑，无破损，无缺陷，这为这种共聚物微球在进一步功能化时保证性能的均匀可靠奠定了基础。钛酸四丁酯(TBT)的加入量，氨水的滴加速度，共聚单体的加入量都影响Ti02包覆后的粒子的大小，包覆后的表面形貌，经研究发现钛酸四丁酯(TBT)的加入量最佳为0．29，加入MTC有利于Ti02粒子的包覆，最佳加入量为O．2—0．49，氨水的滴加速度可以调节壳层Ti02晶粒的大小，在缓慢加入时能得到Ti02粒子均匀包覆的壳层，最佳滴加速度为1．33ml／min

6、。在此最佳条件下制得的复合微球的表面壳层Ti02粒子粒径范围为20．30nm，通过溶解的方法制得的Ti02的中空微球，其壳层厚度为20--30nm，说明制备的复合微球壳层为单层的Ti02粒子包覆，这能够很好的提高Ti02的光催化性能。由于Ti02的晶体结构有多种，其锐钛矿结构的晶体光催化性能最好，因此需要研究此种晶体形成的条件。先通过FT—lR研究了这种复合微球球核去除情况，然后通过DSC来研究了壳层Ti02的结晶，最后用广角X射线衍射(XRD)对Ti02晶型进行了表征，结果发现在5200C空气氛条件下煅烧能得到锐钛矿晶型结构的Ti02，最后研究了这种晶型结构的Ti02

7、的光催化性能，结果显示共聚单体的加入确实很好的提高了Ti02的光催化性能。关键词模板；单分散；中空微球；光催化；二氧化钛ABSTRACTABSTRACTAsworldwideenvironmentPollutionandenergyresourcecrisisaregravinggraduallytoday,effectiveutilizationofsolarenergytosolvepollutionproblemsandotherhasbecameagreatinterestinmanycountries．Thesynthesisa