實(shí)驗(yàn)15　納米二氧化鈦的制備及光催化性能

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

① 掌握二氧化鈦的溶膠-凝膠的制備方法。

② 了解二氧化鈦光催化降解污染物的原理。

③ 熟悉測(cè)定光催化性能的方法。

二、實(shí)驗(yàn)原理

（1）溶膠-凝膠法制備二氧化鈦

溶膠-凝膠法是20世紀(jì)80年代興起的一種制備納米粉體的濕化學(xué)方法，具有分散性好、煅燒溫度低、反應(yīng)易控制等優(yōu)點(diǎn)。制備溶膠所用的原料為鈦酸丁酯[Ti（O-C₄H₉）₄]、水、無(wú)水乙醇以及鹽酸（或者醋酸、硝酸等）。反應(yīng)物為鈦酸丁酯和水，分散介質(zhì)為乙醇，鹽酸用來(lái)調(diào)節(jié)體系的酸度防止鈦離子水解過(guò)速，使鈦酸丁酯在乙醇中水解生成鈦酸Ti（OH）₄，鈦酸脫水后即可獲得二氧化鈦。水解反應(yīng)方程式如下。

Ti（O-C₄H₉）₄+4H₂O Ti（OH）₄+4C₄H₉OH

Ti（OH）₄+Ti（OH）₄ 2TiO₂+4H₂O

在后續(xù)的熱處理過(guò)程中，只要控制適當(dāng)?shù)臏囟葪l件和反應(yīng)時(shí)間，就可以獲得不同晶型的二氧化鈦。

（2）二氧化鈦光催化降解污染物

二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎┑拇恚谔?yáng)能光解水，污水處理等方面有著重要的應(yīng)用前景。二氧化鈦有三種晶型，四方晶系的銳鈦礦型、金紅石型和斜方晶系的板鈦型。此外，還存在著非晶型二氧化鈦。其中板鈦型不穩(wěn)定；金紅石型禁帶寬度為3.0eV，表現(xiàn)出最高的光敏性，但因?yàn)楸砻骐娮?空穴對(duì)重新結(jié)合的較快，幾乎沒(méi)有光催化活性；銳鈦礦禁帶寬度稍大一些，為3.2eV。E_g=3.2eV，對(duì)應(yīng)的最大吸收波長(zhǎng)λ=hC/E_g=387.5nm，在一定波長(zhǎng)范圍的紫外光輻照下能被激發(fā)，產(chǎn)生電子和空穴，且二者能發(fā)生分離，另外它的表面對(duì)氧氣的吸附能力較強(qiáng)，具有較高的光催化活性。當(dāng)它受到波長(zhǎng)小于或等于387.5nm的光（紫外光）照射時(shí)，價(jià)帶的電子就會(huì)獲得光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子（e^-）；而價(jià)帶中則相應(yīng)地形成光生空穴（h⁺），如圖15.1所示。如果把分散在溶液中的每一顆二氧化鈦粒子近似看成是小型短路的光電化學(xué)電池，則光電效應(yīng)產(chǎn)生的光生電子和空穴在電場(chǎng)的作用下分別遷移到二氧化鈦表面不同的位置。二氧化鈦表面的光生電子e^-易被水中溶解氧等氧化性物質(zhì)所捕獲，而空穴h⁺則可以將吸附于二氧化鈦表面的OH^-和H₂O分子氧化成·OH羥基自由基，·OH自由基的氧化能力非常強(qiáng)，能氧化水中絕大部分的有機(jī)物及無(wú)機(jī)污染物，將其礦化為無(wú)機(jī)小分子、二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

① 設(shè)備：磁力攪拌器、干燥箱、馬弗爐、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)、離心機(jī)、超聲波清洗器、光化學(xué)反應(yīng)儀、鼓泡器。

② 試劑：鈦酸丁酯、無(wú)水乙醇、鹽酸、甲基橙、去離子水。

四、實(shí)驗(yàn)步驟與方法

（1）納米二氧化鈦的制備

本實(shí)驗(yàn)以鈦酸四丁酯為二氧化鈦的前驅(qū)體，乙醇為溶劑，鹽酸為抑制劑制備二氧化鈦。溶膠過(guò)程均在室溫下進(jìn)行，步驟如下。

① 取二氧化鈦的前驅(qū)體鈦酸丁酯為0.01mol，根據(jù)鈦酸丁酯∶乙醇∶水∶鹽酸=1∶20∶1∶0.1的摩爾比計(jì)算各試劑用量，見(jiàn)下表。

② 按照工藝流程圖制備二氧化鈦溶膠：取2/3份乙醇置于燒杯，將鈦酸丁酯倒入其中并磁力攪拌15min形成鈦酸丁酯的乙醇溶液；再將剩余的1/3份乙醇和水、鹽酸混合，然后慢慢滴加，磁力攪拌1h后可形成透明的淺黃色溶膠。

③ 將溶膠在室溫下陳化約為24h即可轉(zhuǎn)變?yōu)橥该髂z。

④ 將凝膠置于干燥箱中以100℃干燥12h。取出后用瑪瑙研缽研碎。

⑤ 將粉末放入坩堝并置于電爐中，在500℃，保溫2h，取出后冷卻即可得到二氧化鈦納米粉末。

（2）光催化性能測(cè)試

配置5mg/L的甲基橙溶液，量取100mL甲基橙溶液置于放有0.5g納米二氧化鈦的200mL石英試管中，超聲分散15～20min，然后用300W紫外燈為光源照射溶液，同時(shí)用鼓泡器給體系提供氧氣并加以電磁攪拌。每隔10min（即0min，10min，20min，30min，40min，50min，60min）取樣10mL放在離心管中，在離心機(jī)上離心分離，用移液槍吸取上清液置于具塞試管（或離心管）中，采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)甲基橙溶液在465nm處的吸光度，根據(jù)公式計(jì)算甲基橙的降解率。

降解率η%=（1-A_t/A₀）×100%，式中，A_t、A₀分別為反應(yīng)初始（t=0分鐘）和某一時(shí)刻測(cè)得的吸光度值。

五、數(shù)據(jù)記錄與處理

用origin軟件畫出不同反應(yīng)時(shí)間下的A～λ圖和降解率η～t圖，并完成表15.1。

六、思考題

為什么離心時(shí)一定要將二氧化鈦納米粉末分離干凈？

參　考　文　獻(xiàn)

[1]　杜錦閣，姚朝宗.納米二氧化鈦的制備及其光催化性能[J].化學(xué)研究，2012，23（4）：78-80.

[2]　梁德榮.納米TiO₂的制備及其光催化性能的研究[J].山西化工，2008，28（3）：17-19.