溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛材料
溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛材料[20200408101513]
摘 要
本文采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体材料。研究了钛酸丁酯与无水乙醇的不同溶液比例、烧结温度对纳米TiO2粉体的影响，利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对粉体的结构进行分析，找出制备纳米TiO2粉体的最佳溶液比例和烧结温度。通过粉体对甲基蓝溶液的降解实验来验证分析结论的合理性。结果表明：当钛酸丁酯的用量为10mL、无水乙醇的用量为70mL，加入少量乙酰丙酮并且烧结温度为500℃时，所获得的纳米TiO2粉体均为锐钛矿型且均有良好的催化性能，在紫外光下对甲基蓝溶液的降解率高达42.055%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:溶胶-凝胶法纳米TiO2甲基蓝光催化
目 录
1．引言 1
1.1 本课题的研究背景及意义 1
1.2 本课题的研究现状 2
1.3 本课题研究的内容 4
2.实验仪器及原理 5
2.1 溶胶-凝胶法 5
2.2 光催化技术 5
2.3扫描电子显微镜(SEM) 6
2.4 X射线衍射仪(XRD) 7
2.5紫外-可见分光光度计 8
3.样品制备及测试 9
3.1 实验方案 9
3.2 实验材料 9
3.3 实验的仪器设备 9
3.4 实验过程 9
3.4.1 不同溶液比例制备的纳米TiO2粉体 9
3.4.2不同煅烧温度制备的纳米TiO2粉体 16
3.5样品测试 16
3.5.1 SEM测试 16
3.5.2 XRD测试 17
3.5.3 紫外-可见分光光度计测试 17
4.结果及分析 18
4.1 不同溶液比例的结果分析 18
4.1.1 SEM测试结果分析 18
4.1.2 XRD测试结果分析 21
4.2 不同煅烧温度的结果分析 22
4.2.1 SEM测试结果分析 22
4.2.2 XRD测试结果分析 24
4.3.光催化甲基蓝实验结果分析 26
4.3.1甲基蓝降解吸光度计算标准曲线 27
4.3.2煅烧温度对甲基蓝光降解率的影响 27
结语 30
参考文献 31
致谢 32
1．引言
1.1 本课题的研究背景及意义
近年来中国的环境污染问题越来越严峻。环境污染问题主要由土壤、大气和水体的污染引起。其中水体污染主要是由于有害物质造成水体的价值降低甚至丧失而造成的。日益加剧的水体污染，已对人类的生命安全构成了重大的威胁，水体污染问题的有效处理成为我国实现可持续发展的关键。
近几年随着印染工业的兴起，各种染料废水被排放到水体中，所以染料废水直接影响着人们的生命健康，因此对染料废水的有效处理成为近几年来科学工作者的主要工作之一。甲基蓝作为一种染色剂，一般很难被降解，但是以n型半导体材料为催化剂可以有效地降解甲基蓝。
Fujishima等人[1]开创性地发现了纳米TiO2在光的照射下能够分解水。J H Carey等人[2]紧接着又发现了多氯联苯经过紫外光的照射能够被纳米TiO2光催化脱氯。渐渐地在催化技术研究领域半导体材料逐渐成为了研究重点。目前被普遍用做光催化剂的半导体材料（如：TiO2、ZnO、SnO2、CdS等）都是具有很强的催化效果。然而ZnO和CdS在光照射条件下结构极为不稳定，而且产生的Zn2+、Cd2+等离子具有很强的毒性。纳米级的TiO2材料作为一种新型的无机材料。因其化学性质稳定[3]、催化性能强[3]、无毒无害环境友好[3]、价格低廉[3]等特点，被广泛的用于降解有机物[4]、太阳能电池[3]、制备各种精密陶瓷[3]、作为催化剂的载体[3]、净化空气[5]、光分解水制氢气[6]和清洁杀菌[5]等各种领域，已经成为目前应用最多的纳米材料之一。
根据纳米TiO2材料制备的原理差异，其制备方法大致可以分为物理法[7]、化学法[7]和综合法[7]。化学法包括共沉淀法[7]、溶胶?凝胶法[7]和气相沉积法[7]等。其中溶胶?凝胶法因为设备简单[8]，反应条件易于控制[8]，可以在低温下高制备纯度[3]、比表面积大[9]、颗粒细小[9]、均匀性好[9]的纳米TiO2粉体而被广泛采用。
影响溶胶-凝胶法制备TiO2粉体材料的因素有很多，比如：滴加方式[9]、搅拌速度[4]、搅拌时间[4]、加水量[10]、酸的种类 [11]、溶液PH[12]、乙醇的用量[13]、溶胶和凝胶过程中的加热温度[14]、煅烧温度以及煅烧时间[4]。所以研究这些因素对提高纳米TiO2粉体的最终催化性能是很有必要的。
TiO2纳米材料正常有以下几种晶型结构，即板钛矿型、锐钛矿型和金红石型[3]。锐钛矿型的纳米TiO2与金红石型的TiO2相比，锐钛矿型的纳米TiO2的晶格中含有比较多的不规则的缺陷，因此能够更多地捕获电子[3]，所以锐钛矿型的纳米TiO2材料催化性能较高。所以要想提高纳米TiO2材料的光催化性能必须在材料中获得较多的锐钛矿型TiO2 [3]。
1.2 本课题的研究现状
在国内最初研究溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体的是1993年中国科学院固体物理研究所的罗菊等人[15]，她们采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体，通过X射线衍射（XRD）测试，透射电镜（TEM）测试等实验研究了其微观结构和形貌。结果发现，当烧结温度低于500 ℃时，TiO2粉体的平均的晶粒尺寸都小于20nm并且所有晶粒都是锐钛矿型结构；当烧结温度高于550℃时，样品中开始出现金红石型的TiO2；当温度高于800 ℃时，样品中都是金红石型结构的TiO2。
紧接着1995年福州大学材料研究所的唐电等人[16]也采用了溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体，并且通过扫描差热分析，透射电子显微镜和X射线衍射等技术分析它的结构，结果表明：当烧结温度低于150℃时，X射线衍射分析结果未出现衍射峰，此时的粉体呈现无定形状态；当煅烧温度继续升高时，逐渐出现锐钛矿型的衍射峰；随着煅烧温度的继续升高，刚开始产生的锐钛矿型的TiO2逐渐向金红石型的TiO2转变；当温度到达700℃时，样品中都是金红石型结构的TiO2。
2005年西北工业大学的陈娜等人[17]采用溶胶-凝胶法研究了酸催化剂的种类和加入的量对制备过程中凝胶时间的长短和TiO2粉体晶粒尺寸的影响。结果表明：催化效果越好所得到的纳米TiO2粉体的晶粒尺寸越细小；与冰醋酸和浓盐酸相比，浓硝酸的催化效果比较好，所制备的纳米TiO2晶粒最为细小，而浓盐酸的催化效果则次之；当在溶液中加入适量的浓硝酸时，可以制备得到3-8nm晶粒尺寸的纳米TiO2粉体。
2006年哈尔滨工业大学的王琳等人[9]对溶胶-凝胶法制备纳米TiO2的工艺进行了细致的研究，其中包括溶液的滴加方式、去离子水用量的多少、醋酸用量的多少、无水乙醇的用量，溶胶和凝胶过程中的温度和烧结制备的温度。结果发现：应该缓慢地滴加溶液可以使钛酸丁酯充分的水解，去离子水、无水乙醇和醋酸的用量要适中，需要保持40℃左右的溶胶温度且采用冷凝回流的方式有利于纳米TiO2粉体的催化性能，最后用苯酚去检验纳米TiO2的催化活性。同样内蒙古科技大学的张俊卿等人[12]也是采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体且用高压汞灯作为紫外光源来照射苯酚溶液从而测试其催化效果。结果表明：当催化剂的浓度达到1g/L且溶液的PH保持在4左右时，纳米TiO2粉体对实验配置的苯酚溶液的降解的效果最彻底。
2007年王彦红等人[18]以甲基橙为光催化降解的污染物对采用溶胶-凝胶法制备的纳米TiO2粉体进行了光催化实验。结果表明：催化剂的浓度、去离子水的用量、分散液的用量、煅烧温度和煅烧时间都会对最终的纳米TiO2粉体的光催化活性产生影响，因此需要合理地控制这些因素的影响。
2010年顾东林等人[4]对采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体材料实验过程中工艺进行了研究。结果表明：当调节溶液的PH到2-3,溶胶的温度设置为60℃，搅拌速度达到450r/min时，能够形成结构稳定的凝胶体系；纳米TiO2粉体光催化甲基橙的能力随着加水量的增加先增大后逐渐减小；煅烧温度过高不利于最终产物的光催化性能，要制备高性能的光催化剂，最佳的煅烧温度应为450℃。
摘 要
本文采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体材料。研究了钛酸丁酯与无水乙醇的不同溶液比例、烧结温度对纳米TiO2粉体的影响，利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对粉体的结构进行分析，找出制备纳米TiO2粉体的最佳溶液比例和烧结温度。通过粉体对甲基蓝溶液的降解实验来验证分析结论的合理性。结果表明：当钛酸丁酯的用量为10mL、无水乙醇的用量为70mL，加入少量乙酰丙酮并且烧结温度为500℃时，所获得的纳米TiO2粉体均为锐钛矿型且均有良好的催化性能，在紫外光下对甲基蓝溶液的降解率高达42.055%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:溶胶-凝胶法纳米TiO2甲基蓝光催化
目 录
1．引言 1
1.1 本课题的研究背景及意义 1
1.2 本课题的研究现状 2
1.3 本课题研究的内容 4
2.实验仪器及原理 5
2.1 溶胶-凝胶法 5
2.2 光催化技术 5
2.3扫描电子显微镜(SEM) 6
2.4 X射线衍射仪(XRD) 7
2.5紫外-可见分光光度计 8
3.样品制备及测试 9
3.1 实验方案 9
3.2 实验材料 9
3.3 实验的仪器设备 9
3.4 实验过程 9
3.4.1 不同溶液比例制备的纳米TiO2粉体 9
3.4.2不同煅烧温度制备的纳米TiO2粉体 16
3.5样品测试 16
3.5.1 SEM测试 16
3.5.2 XRD测试 17
3.5.3 紫外-可见分光光度计测试 17
4.结果及分析 18
4.1 不同溶液比例的结果分析 18
4.1.1 SEM测试结果分析 18
4.1.2 XRD测试结果分析 21
4.2 不同煅烧温度的结果分析 22
4.2.1 SEM测试结果分析 22
4.2.2 XRD测试结果分析 24
4.3.光催化甲基蓝实验结果分析 26
4.3.1甲基蓝降解吸光度计算标准曲线 27
4.3.2煅烧温度对甲基蓝光降解率的影响 27
结语 30
参考文献 31
致谢 32
1．引言
1.1 本课题的研究背景及意义
近年来中国的环境污染问题越来越严峻。环境污染问题主要由土壤、大气和水体的污染引起。其中水体污染主要是由于有害物质造成水体的价值降低甚至丧失而造成的。日益加剧的水体污染，已对人类的生命安全构成了重大的威胁，水体污染问题的有效处理成为我国实现可持续发展的关键。
近几年随着印染工业的兴起，各种染料废水被排放到水体中，所以染料废水直接影响着人们的生命健康，因此对染料废水的有效处理成为近几年来科学工作者的主要工作之一。甲基蓝作为一种染色剂，一般很难被降解，但是以n型半导体材料为催化剂可以有效地降解甲基蓝。
Fujishima等人[1]开创性地发现了纳米TiO2在光的照射下能够分解水。J H Carey等人[2]紧接着又发现了多氯联苯经过紫外光的照射能够被纳米TiO2光催化脱氯。渐渐地在催化技术研究领域半导体材料逐渐成为了研究重点。目前被普遍用做光催化剂的半导体材料（如：TiO2、ZnO、SnO2、CdS等）都是具有很强的催化效果。然而ZnO和CdS在光照射条件下结构极为不稳定，而且产生的Zn2+、Cd2+等离子具有很强的毒性。纳米级的TiO2材料作为一种新型的无机材料。因其化学性质稳定[3]、催化性能强[3]、无毒无害环境友好[3]、价格低廉[3]等特点，被广泛的用于降解有机物[4]、太阳能电池[3]、制备各种精密陶瓷[3]、作为催化剂的载体[3]、净化空气[5]、光分解水制氢气[6]和清洁杀菌[5]等各种领域，已经成为目前应用最多的纳米材料之一。
根据纳米TiO2材料制备的原理差异，其制备方法大致可以分为物理法[7]、化学法[7]和综合法[7]。化学法包括共沉淀法[7]、溶胶?凝胶法[7]和气相沉积法[7]等。其中溶胶?凝胶法因为设备简单[8]，反应条件易于控制[8]，可以在低温下高制备纯度[3]、比表面积大[9]、颗粒细小[9]、均匀性好[9]的纳米TiO2粉体而被广泛采用。
影响溶胶-凝胶法制备TiO2粉体材料的因素有很多，比如：滴加方式[9]、搅拌速度[4]、搅拌时间[4]、加水量[10]、酸的种类 [11]、溶液PH[12]、乙醇的用量[13]、溶胶和凝胶过程中的加热温度[14]、煅烧温度以及煅烧时间[4]。所以研究这些因素对提高纳米TiO2粉体的最终催化性能是很有必要的。
TiO2纳米材料正常有以下几种晶型结构，即板钛矿型、锐钛矿型和金红石型[3]。锐钛矿型的纳米TiO2与金红石型的TiO2相比，锐钛矿型的纳米TiO2的晶格中含有比较多的不规则的缺陷，因此能够更多地捕获电子[3]，所以锐钛矿型的纳米TiO2材料催化性能较高。所以要想提高纳米TiO2材料的光催化性能必须在材料中获得较多的锐钛矿型TiO2 [3]。
1.2 本课题的研究现状
在国内最初研究溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体的是1993年中国科学院固体物理研究所的罗菊等人[15]，她们采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体，通过X射线衍射（XRD）测试，透射电镜（TEM）测试等实验研究了其微观结构和形貌。结果发现，当烧结温度低于500 ℃时，TiO2粉体的平均的晶粒尺寸都小于20nm并且所有晶粒都是锐钛矿型结构；当烧结温度高于550℃时，样品中开始出现金红石型的TiO2；当温度高于800 ℃时，样品中都是金红石型结构的TiO2。
紧接着1995年福州大学材料研究所的唐电等人[16]也采用了溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体，并且通过扫描差热分析，透射电子显微镜和X射线衍射等技术分析它的结构，结果表明：当烧结温度低于150℃时，X射线衍射分析结果未出现衍射峰，此时的粉体呈现无定形状态；当煅烧温度继续升高时，逐渐出现锐钛矿型的衍射峰；随着煅烧温度的继续升高，刚开始产生的锐钛矿型的TiO2逐渐向金红石型的TiO2转变；当温度到达700℃时，样品中都是金红石型结构的TiO2。
2005年西北工业大学的陈娜等人[17]采用溶胶-凝胶法研究了酸催化剂的种类和加入的量对制备过程中凝胶时间的长短和TiO2粉体晶粒尺寸的影响。结果表明：催化效果越好所得到的纳米TiO2粉体的晶粒尺寸越细小；与冰醋酸和浓盐酸相比，浓硝酸的催化效果比较好，所制备的纳米TiO2晶粒最为细小，而浓盐酸的催化效果则次之；当在溶液中加入适量的浓硝酸时，可以制备得到3-8nm晶粒尺寸的纳米TiO2粉体。
2006年哈尔滨工业大学的王琳等人[9]对溶胶-凝胶法制备纳米TiO2的工艺进行了细致的研究，其中包括溶液的滴加方式、去离子水用量的多少、醋酸用量的多少、无水乙醇的用量，溶胶和凝胶过程中的温度和烧结制备的温度。结果发现：应该缓慢地滴加溶液可以使钛酸丁酯充分的水解，去离子水、无水乙醇和醋酸的用量要适中，需要保持40℃左右的溶胶温度且采用冷凝回流的方式有利于纳米TiO2粉体的催化性能，最后用苯酚去检验纳米TiO2的催化活性。同样内蒙古科技大学的张俊卿等人[12]也是采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体且用高压汞灯作为紫外光源来照射苯酚溶液从而测试其催化效果。结果表明：当催化剂的浓度达到1g/L且溶液的PH保持在4左右时，纳米TiO2粉体对实验配置的苯酚溶液的降解的效果最彻底。
2007年王彦红等人[18]以甲基橙为光催化降解的污染物对采用溶胶-凝胶法制备的纳米TiO2粉体进行了光催化实验。结果表明：催化剂的浓度、去离子水的用量、分散液的用量、煅烧温度和煅烧时间都会对最终的纳米TiO2粉体的光催化活性产生影响，因此需要合理地控制这些因素的影响。
2010年顾东林等人[4]对采用溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体材料实验过程中工艺进行了研究。结果表明：当调节溶液的PH到2-3,溶胶的温度设置为60℃，搅拌速度达到450r/min时，能够形成结构稳定的凝胶体系；纳米TiO2粉体光催化甲基橙的能力随着加水量的增加先增大后逐渐减小；煅烧温度过高不利于最终产物的光催化性能，要制备高性能的光催化剂，最佳的煅烧温度应为450℃。
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