TiO2SiO2气凝胶的常压干燥法制备及其光催化应用

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1、同济大学理学院博士学位论文TiO<,2>/SiO<,2>气凝胶的常压干燥法制备及其光催化应用姓名：王玉栋申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：陈龙武20050115同济大学博士学位论文摘要Ti02／Si02气凝胶是由Ti02和Si02的纳米粒子均匀分散复合而成的气凝胶材料，是一种优良的光催化剂，其对氰化物、酚类污染物，NO。等污染物的降解效率远高于Ti02粉末，而且Ti02／Si02气凝胶是块状固体材料，实验过程中几乎可以100％地回收，有关Ti02／Si02气凝胶的研究已经引起了国内外学者的广泛关注。本文以溶胶一凝胶法和常压干燥工艺成功地制备出Ti0

2、2／Si02气凝胶，使气凝胶的制备工艺大大简化。而后以无机工业原料硫酸氧钛和硅溶胶替代有机金属醇盐为原料，制得Ti02／Si02气凝胶，大幅度降低了制备成本。最后通过滴液成球法和常压干燥工艺制备出Si02气凝胶小球和Ti02／Si02气凝胶小球，使气凝胶光催化剂的应用更加方便。以Ti02／Si02气凝胶为光催化剂对典型污染物吡啶的光催化降解也取得良好的效果。本文取得的主要进展如下：1．Ti02／Si02气凝胶的常规制备方法必须通过超临界干燥工艺，本文以钛酸丁酯和工业硅溶胶为原料，通过混合Ti02和Si02的醇溶胶制备Ti02／Si02复合溶胶，并在其中添加干燥控

3、制化学添加剂甲酰胺，以形成具有完善网络结构的醇凝胶，同时通过正硅酸乙酯的乙醇溶液对醇凝胶的浸泡，低表面张力溶剂乙醇的替换和分级陈化、干燥等步骤，实现了块状Ti02／Si02气凝胶的常压干燥制备。并研究了钛硅比、甲酰胺、硝酸、水、乙醇的含量对凝胶过程和气凝胶品质的影响。典型Ti02／Si02气凝胶样品为无色或乳白色轻质块状多孔固体，表观密度约O．4～O．9g'cm一，500℃焙烧后比表面积为283．26m2／g，孔隙率80％，孔分布集中在2--30m，平均孔径12m左右，由直径约10m的Ti02和Si02微粒相互分散复合而成。其中Si02的相态为无定型，Ti02为

4、锐钛矿型，并且随着焙烧温度的升高，直到800℃不发生相变化。Ti02／Si02气凝胶的常压干燥制备简化了制备工艺，提高了制备效率，使气凝胶光催化剂的实际应用成为可能。2．吡啶是焦化废水中典型的难降解有机物，本文研究了Ti02／Si02气凝胶光催化降解吡啶的性能，并和Ti02粉末的光催化效果进行对照，研究了气凝胶两济大学博士学位论文摘要的钛硅比、焙烧温度以及反应温度、空气导入量对光催化效果的影响。结果表明无论弱酸性、中性还是弱碱性条件下，气凝胶对吡啶的降解效果都远远优于Ti02粉末，其中弱碱性条件下(pH=9)Ti02／Si02气凝胶的光催化活性最高，6．5h时吡

5、啶的降解率已达97％，而此时Ti02粉末对毗啶的降解率仅为70％。Ti02和Si02摩尔比为1：5，焙烧温度为800。C时Ti02／Si02气凝胶的光催化活性最好。向反应溶液中通空气能较大幅度提高光催化反应的速率。论文还对Ti02／Si02复合气凝胶光催化降解吡啶的机理进行了初步探讨。3．以无机工业原料硫酸氧钛为前驱体，替代钛酸丁酯制备出Ti02溶胶，再与硅溶胶混合制备，Ti02／Si02醇凝胶，最后通过常压干燥法制得Ti02／Si02气凝胶，其比表面积在300m2／g以上，孔分布集中，以2．15rim的中孔为主，品质特征与钛酸丁酯和硅胶溶为原料制备的Ti02／

6、Si02气凝胶基本一致。以硫酸氧钛和硅溶胶为原料制得Ti02／Si02气凝胶，从原料方面进一步降低了的制备成本。4．通过滴液成球法和常压干燥工艺制备出Si02气凝胶小球和Ti02／Si02气凝胶小球。Si02气凝胶小球为乳白色轻质固体，密度约300kg·m～，大小均匀，直径可控制在1-5mm范围内，比表面积为271．89m2·g～，孔分布集中在5．50nm。Ti02／Si02气凝胶小球是以硫酸氧钛和硅溶胶为原料制备的，粒径为2-5mm，比表面积为479m2／g，平均孔径12．6nm，孔分布集中在2-20nm，d,-TL含量少。并且Ti02／Si02气凝胶小球的密

7、度小，透明度高，大小均匀，粒径可控，有一定的机械强度，能够满足大规模污水治理的要求。以硫酸氧钛和硅溶胶为原料制备Si02气凝胶小球和Ti02／Si02气凝胶小球的方法为工业制备气凝胶产品提供了可行的路线，同时也使Ti02／Si02气凝胶光催化剂的实际应用更加方便。关键词：Ti02／Si02气凝胶制备常压干燥光催化吡啶滴液成球气凝胶小球木本论文的完成得到了国家自然科学基金(29973029)和上海市科委科技发展基金(0216nm035)的资助。IIAbstractTi02／Si02aerogelsaremosoporeusmaterialsconsistedoft

8、henanoTi02an