纳米tio2光催化剂的酸催化水解合成与表征

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1、http://www.paper.edu.cn1纳米TiO2光催化剂的酸催化水解合成与表征李晓辉陈孝云刘守新*刘正峰陈曦王海亮东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨(150040)E-mail:liushouxin@126.com摘要：以TiCl4为钛源，采用酸催化水解法控制TiCl4水解速度，合成了纳米TiO2光催化剂。以苯酚的光催化降解为模型反应，考查了酸催化剂种类、水解温度、煅烧温度对TiO2光催化活性的影响。采用X射线衍射(XRD)、紫外—可见漫反射(DRS)、扫描电镜(SEM)、低温氮物

2、理吸附，分析了TiO2光催化剂的晶相结构、光谱特征以及表面形貌。结果表明，以HCl为催化剂、水解温度98℃、煅烧温度500℃下制得TiO2活性最高。最佳条件下合成的TiO2前驱体为无定型结构，400℃煅烧时几乎完全转化为锐钛矿相，800℃时完全转化为金红石相。随着煅烧温度升高，TiO2光吸收阈值红移，TiO2粒子尺寸增大，比表面积下降，光催化活性降低。关键词：TiO2，酸催化水解法，光催化，苯酚中图分类号：O6431．引言光催化氧化是近年来发展起来的一种室温深度氧化技术。TiO2因具有无毒、化学稳

3、定性[1,2][3]好、价格低廉和催化活性高等优点而被广泛应用于低浓度废水处理、空气净化、卫生杀[4][5]菌、涂料表面自洁等领域。如何采用廉价、工艺简单的制备方法获得高活性的纳米TiO2，[6]是推动光催化技术实用化的主要研究领域之一。[2][7,8]目前，TiO2光催化剂的制备主要为气相法和液相法。气相法要求反应高温下瞬间完成，反应物料在极短的时间内达到微观上的均匀混合。因此对反应器的型式、材质、加热方式、进料方式等均有很高要求。液相法以工艺简单、操作过程易控制而备受青睐。液相法中研究较多的有

4、溶胶—凝胶法和TiCl4水解法。溶胶—凝胶法以钛酸四丁酯为钛源，成本较高。TiCl4水解法制备过程中所产生的废渣、废水和废气较少，且毒性小，易处理，并且获[2,8,9]得的TiO2粉体的晶型较易控制。但传统的水解法制备出的TiO2光催化剂活性较低。本文拟以水解过程中加入的酸为催化剂，控制TiCl4水解进程，从而合成出活性较高的TiO2光催化剂。系统研究了酸催化剂、水解温度、煅烧温度对TiO2光催化活性的影响，通过对苯酚的去除效率，确定TiO2光催化剂的最佳合成条件。并采用XRD、DRS、SEM、低

5、温氮物理吸附对其结构进行表征。2．实验2.1试剂和仪器四氯化钛、硫酸铵、氨水、盐酸、硝酸、硫酸均为分析纯试剂。日本理学D/max-rB型*通讯联系人：刘守新，E-mail:liushouxin@126.com.1教育部博士点基金(20050225006),教育部新世纪优秀人才资助计划及国家自然科学基金(30400339)资助项目1http://www.paper.edu.cnX射线衍射仪(CuKα射线45kV，40mA)；北京谱析仪器有限公司TU-1900型紫外-可见分光光度计；德国里奥公司QUA

6、TA200扫描电镜；北京市北分仪器技术公司ST-2000型比表面孔径测定仪(样品在液氮温度(77K)下进行N2气吸附)。2.2催化剂制备[7,10,11]TiO2采用酸催化水解法合成：在冰水浴和强力搅拌条件下，将25mLTiCl4滴入到250mL蒸馏水中，以300r/min的速度搅拌1h，然后滴加入(NH4)2SO4和酸催化剂(HCl、+HNO3或H2SO4)溶液(保持物质的量比TiCl4:(NH4)2SO4:H=1:2:10)，控制反应温度为5℃，继续搅拌反应0.5h；将反应物加热升温至98℃并

7、恒温1h，再以NH3·H2O调pH=8，继续反应1h。将所得试样移出，室温陈化10h，洗涤、干燥、研磨后，移入石英管式反应器中，以20℃/min速度升至指定温度并恒温煅烧2h，待冷却后将催化剂取出置于干燥器中备用。2.3光催化反应与分析[8]光催化反应在自制石英夹套式反应器中(250mL)进行，石英管内置8W低压汞灯(主波长365nm)为光源，反应器外层以铝箔包覆。在光催化反应开始前，避光磁力搅拌30min，以使模型物0.05g/L苯酚溶液在催化剂表面达到吸附平衡。催化剂的用量为1.0g/L。以8

8、0mL/min速度通入空气。每20min取样5mL，离心分离，取上层清液，以紫外-可见分光光度计于270nm测量吸光度，根据郎伯-比尔定律计算苯酚浓度。2.4催化剂表征利用X射线衍射仪分析TiO2粉体晶型结构，根据Scherrer公式计算晶粒平均尺寸；利用紫外-可见漫反射光谱分析TiO2粉末的能阈结构以及对光的吸收性能，DRS的测试在装有积分球的紫外-可见分光光度计上进行，以BaSO4(分析纯)做参比；利用扫描电镜观察TiO2粒子形貌；利用比表面孔径测定仪测定TiO2比表面积，以A