二氧化钛的制备分析
二氧化钛的制备分析 摘要:以钛酸四丁酯(TNB)为主要原料,以尿素为氮源,采用水热合成法制 备锐钛矿型纳米二氧化钛颗粒,利用FT-IR对纳米二氧化钛进行表征;以紫外光 为光源,罗丹明B (RhB)为模型污染物考察纳米二氧化钛的光催化活性。结果 表明加尿素后表而改性的二氧化钛催化活性远大于未加尿素的二氧化钛。 关键词:钛酸四丁酯(TNB);纳米二氧化钛;水热合成法;光催化活性 ]弓 I “g* 二氧化总作为一种重要的无机非金属材料,其在作为催化剂载体、光敏性催化剂、 处理各种气固液水污染物、医药、制备各种精细陶瓷、气敏无件、改善材料性能 等领域具有广泛的用途,纳米二氧化钛(Ti02)由于其具有粒径小、比表面积大、 磁性强、光催化、吸收性能好,吸收紫外线能力强,表面活性大、热导性好、分散 性好、所制悬浮液稳定等优点。因此倍受关注,制备和开发纳米二氧化钛成为国 内外科技界研究的热点之--。 2 .实验 2.1实验试剂 钛酸四丁酯(TNB)、尿素、十六烷基三甲基漠化铉、罗丹明B (RhB)、 无水乙醇、盐酸等均为分析纯,水为蒸馄水与超纯水。 2.2纳米二氧化钛的制备 量取五份60mL的无水乙醇放入烧杯Al、A2、A3、A4、A5、A6,分别(1) 向A]中加入0.5g十六烷基三甲基漠化铉和0.5g尿素;(2)向A2中加入0.5g 十六烷基三甲基浜化铉和1.5g尿素;(3)向A3中加入0.5g +六烷基三甲基混 化铉和2.5g尿素;(4)向A4中加入十六烷基三甲基漠化铉0.5g; (5)向A5中 加入0.5g尿素;(6)向A6中加入1.0g尿素。搅拌溶解均匀后(磁力快速搅拌), 并用盐酸调pH值为5.6,后向其中各加入3.5 g (3g-4g)猷酸四丁酯(TNB), 溶解均匀后,在快速搅拌条件下缓慢滴加10 mL水(开始一定要慢,因为快的 话会忽然粘稠,搅拌不动),室温下反应2 h,后转入水热反应釜中(填充度为 70%-80%),在110 °C条件下反应24h,后取出,自然冷却,倒掉上清液,并用 乙醇与水反复洗涤,离心(或者抽滤也可以),干燥得到制备的纳米二氧化钛。 3 光催化活性分析 采用液相中罗丹明B的降解率来评价二氧化钛的光催化降解有机污染物的 性能。配置浓度为20mg/L的罗丹明B (RhB)溶液300 mL,测其在550 nm波 长下的紫外吸收,后将溶液倒入密闭黑暗的光催化装置中,磁力搅拌、吹气30 min 后测其在550 nm波长下的紫外吸收;后加入60 mg纳米二氧化钛,在磁力搅拌、 吹气、紫外灯照射下反应,每lh取10 mL溶液,将取出溶液离心分离,取离心 后的上清液检测其在550 nm波长下的紫外吸光度。光催化降解率的计算公式为: Y = [ (A o . A )/A o ] xlOO % = [(Co-C)/Co] xlOO %。其中 C。为有机物的初始 浓度,C为反应过程中某时刻有机物的浓度;A o为有机物浓度为C。时的吸光 度,A为有机物浓度为C时的吸光度。 2.4表征 采用傅立叶变换红外光谱仪(Magna — 560型)对二氧化钛进行表面参杂官能团的确认;采用紫外一可见分光光度计(TU- 1 8 0 0型)分析纳 米二氧化钛光催化降解R h B的吸光度变化; 3.结果与讨论 3.1纳米二氧化钛的光催化活性 二氧化钛的光催化活性主要取决于其结构和晶粒尺寸,锐钛矿型结构和纳米级 的晶粒尺寸是使其具有较高催化活性的关键。将配置的R h B溶液在密闭容器 中,磁力搅拌、吹气3 0 m i n ,其紫外吸光度值与初始时•儿乎没有变化,图A、 B为紫外光照射下纳米二氧化钛光催化活性变化曲线图,图A中(4)为未加尿 素所得的二氧化钛产品,在3和4h时几乎没有降解;(1)尿素与钛酸四丁酯 的质量比=1:7、(2)尿素与钛酸四丁酯的质量比=3:7、(3)尿素与钛酸四丁酯 的质量比=5:7在1 0 Omi n内,皆使R h B降解迅速,且在3 h时,降解率分 别为 58.4%、67.5%、61.7%, 4h 时降解率分别为 87. 3%、98.0%、88. 4%;由 降解效果来看,加入尿素制备的纳米二氧化钛的光催化效果明显优于不加尿素制 备的纳米二氧化钛,且在4 h时几乎完全降解,光催化降解效果很好。样品(2) 的降解效果最好。 ¥ - W— 50100150200250 T/min 图A光催化活性变化曲线图 图B中的(1)数据同A中的(4)未加尿素所得的二氧化钛产品,在3和 4h时几乎没有降解;(2)为只加尿素,未加十六烷基三甲基漠化铉所得二氧化 钛产品,具有一•定的催化活性;(3)中既有尿素,又有十六烷基三甲基漠化铉, 催化活性最高,通过这三组数据对比,可以发现所加尿素的量对制备的二氧化钛 性能有较大的影响,而十六烷基三甲基澳化铉对制备的二氧化钛活性影响较小。 综上,在制备纳米二氧化钛是,可加入少量十六烷基三甲基漠化铉,通过对尿素 用量的不同配比,制得活性最优的纳米二氧化钛。 3.2 FT-IR 下图为制备的纳米二氧化钛的红外谱图,由图分析可知,在3400cm-1处出 现了很强的一OH伸缩振动吸收峰,在1631cm」处为一OH的弯曲振动吸收 峰,1400cm』处为甲基和次甲基C—H弯曲振动,750〜500cm-】是T i—0键 的特征吸收峰。 Wavenumbers/cm 1 图(1)中尿素与钛酸四丁酯的质量比=3:7,图(2)中尿素与钛酸四丁酯的质 量比=5:7。据资料报道,纳米二氧化钛的催化活性与纳米粒子表面吸附及表面 态(如表面羟基、氧空缺)等有密切关系,由F T- I R分析可知⑴与⑵表 面皆存在表面羟基,然而从光催化活性的结果来看,(1)的活性强于(2),可能 是因为表面氧空缺与表面羟基的量有一定的匹配,羟基过多或过少,二氧化钛 的光催化活性皆会降低导致。 上图中(0)为未加尿素时所得的二氧化钛样品的红外光谱图,在2364cm-1铉盐 的N-H伸缩振动,说明十六烷基三甲基漠化铉为有机质参加了纳米二氧化钛的 合成反应,但其紫外光催化效果很差。图中(1)是尿素与钛酸四丁酯的质量比 = 1:7的红外光谱图,1049cm-l处为羟基的C—O伸缩振幼吸收峰,紫外光催化 效果较(0)好的多。图中(2)是尿素与钛峻四丁酯的质量比=3:7的红外光谱图, 紫外光催化效果最好,根据资料报道以及上述实验数据显示,只有表面氧空缺与 表面羟基的量达到一定的匹配时,二氧化钛的光催化活性会更显著,尿素的含量 直接影响二氧化钛的活性,十六烷基三甲基漠化铉对二氧化钛的活性影响较小。 4 .结论 本实验采用水热合成法制备纳米二氧化钛,通过控制钛峻丁酯与尿素、十六 烷基三甲基漠化铉的不同质量比,对得到的二氧化钛进行光催化降解有机污染物 实验,以表征其活性,实验结果表明加入尿素的量不同,对制备的二氧化钛的催 化活性有较明显的影响,通过实验对比可知,半尿素的质量与钛酸四丁酯的质量 比约为1:2是所得纳米二氧化钛产品的活性最好。未加十六烷基三甲基漠化铉所 制备的二氧化钛也具有不错的催化活性,说明十六烷基三甲基浪化£安对纳米二氧 化