溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛的研究.docx

溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛的研究 二氧化钛是广泛应用的半透材料。成本低，稳定性好，对人体没有毒性。同时，纳米二氧化钛具有表面大、光吸收好、表面活性剂大、分散性好等特点。实际应用过程简单，操作条件易于控制，无二次污染。作为一种光发染剂，广泛应用于环境管理。中国是钛矿储量众多的国家。丰富的钛资源为二氧化钛的广泛应用提供了廉价的原材料。二氧化钛的光激励应用研究随着污染控制的需要而变得更加重要。 本文采用溶胶-凝胶法制备TiO2溶胶-凝胶,经热处理后,得到不同的TiO2微粒;以光催化降解水溶液中的苯酚为目标反应,研究了TiO2纳米微粒的光催化活性;用XRD研究了TiO2微粒的晶型结构与热处理温度之间的关系;用透射电镜观测其微粒大小.与其他制备方法相比,新方法具有快速简便,经济并且绿色环保等优点.发生的主要反应如下: Ti(OC4H9)4+ 4H2O→Ti(OH)4+4C4H9OH Ti(OH)4+ Ti(OC4H9)4→2TiO2+4C4H9OH Ti(OH)4+ Ti(OH)4→2TiO2+4H2O 1 实验部分 1.1 氧化钛纯白色粉体的制备 以钛酸丁酯[Ti(OC4H9)4]为前驱物,无水乙醇(C2H5OH)为溶剂,冰醋酸(CH3COOH)为螯合剂,制备二氧化钛溶胶. 室温下量取10 mL钛酸丁酯,缓慢滴入到1/2份无水乙醇中,用磁力搅拌器强力搅拌10 min,混合均匀,形成黄色澄清溶液A.将一定量的冰醋酸和重蒸水加到另1/2份无水乙醇中,剧烈搅拌,得到溶液B,调节pH值使pH≤3.在剧烈搅拌下将已移入分液漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中,滴速大约30 mL/min,水浴加热30 ℃.滴加完毕后得浅黄色溶液,继续搅拌1 h,40 ℃冷凝回流,2 h后得到白色凝胶(倾斜烧杯凝胶不流动).置于80 ℃下烘干,大约20 h,得黄色晶体,研磨,得到淡黄色粉末.在不同的温度下(300,400,500,600 ℃)热处理2 h,得到不同的二氧化钛(纯白色)粉体. 1.2 苯酚去除率的测定 为了检验实验制备纳米二氧化钛的催化效果,将一定量二氧化钛微粒加入到质量浓度为44 mg/L的苯酚-蒸馏水溶液中,溶液pH值为6,用波长为254 nm的紫外灯照射30 min后,用分光光度法测定苯酚去除率. 2 结果与讨论 2.1 表1显示了实验条件的讨论 2.1.1 缩聚反应和解 实验中发现,若把滴加溶液一次倒入原液中,钛酸丁酯的水解速度过快,水解产生的聚合物来不及溶于乙醇而直接发生缩聚反应,反应生成的聚合物经碰撞交联而形成沉聚物,有大量的块状沉淀生成,得不到稳定溶胶.若将滴加溶液缓慢滴入原液中,则反应较为平缓,可在一定程度上控制水解速度. 2.1.2 不同加入量钛酸丁酯对凝胶时间的影响 水的加入量对钛酸丁酯的水解有很大的影响.水的加入较大时,钛酸丁酯水解的量及水解的程度同时提高,缩聚物的交联度和聚合度都增大,有利于二氧化钛溶胶向凝胶转变,从而使凝胶时间变短.但加入量过大,会使滴入的钛酸丁酯迅速水解,不能形成溶胶,严重影响实验效果.当水的加入量较小时,由于钛酸丁酯水解不足,水解生成的少量溶胶粒子很快溶解分散于大量的溶剂中,相互进一步缩合的机会很少,或不足以形成三维的空间网络结构.因此,凝胶时间过长或不凝胶,并且由于钛酸丁酯未完全水解,而使产量大大减小,由第1、2、3、4组可以看出,当V[Ti(OC4H9)4]:V(H2O)=1∶1时,凝胶时间最短. 2.1.3 水解速率的影响 CH3COOH作为螯合剂的加入对钛酸丁酯的水解缩聚反应过程影响非常大.反应中CH3COOH既作为整合剂又作为酸催化剂,对于稳定溶胶均匀性及控制钛酸丁酯的水解速率有着重要的影响.这在很大程度上也影响了材料最终的比表面积、孔径及孔分布等显微结构,从而最终会影响粒子的光催化活性.实验表明当V[Ti(OC4H9)4]∶V[CH3COOH]=1∶0.4时,所制得的粒子的光催化活性能最好.这是因为掺量过少,作用不明显;掺量过多,虽然可以得到更稳定的溶胶,但也会因为引入过多的碳,在煅烧时容易形成积碳,而残留在TiO2光催化剂表面的碳又会妨碍表面经基团的生成,并会对比表面积产生影响,从而降低粒子的光催化活性. 2.1.4 乙醇对钛酸丁酯水解反应变的影响 加入溶剂乙醇量的多少对凝胶时间有较大影响,第5、6、7、8组反映了这一实验结果,这是因为作为溶剂,乙醇可以溶解钛酸丁酯,并通过空间位阻效应阻碍氢链的生成,从而使水解反应变慢.此外,还可以稀释水解及缩聚物浓度,降低单体碰撞的频率使缩聚反应变慢,故乙醇加入量越大,凝胶时间越长.当V[Ti(OC4H9)4]∶V[C2H5OH]=1∶7时,凝胶时间最短. 2.1.5 温度和温度对凝胶时间的影响 温度对钛酸丁酯的水解-缩聚反应也有影响.一般采用低温溶胶,高温