介孔二氧化钛的制备及其光催化性能研究

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本文以钛酸丁酯(TBOT)为钛源,用乙醇减缓TBOT水解速率,以表面活性剂为模板剂,采用水热合成法制备出类球形锐钛矿介孔二氧化钛(m-TiO2)。研究了水热合成温度、时间、溶剂中乙醇与水的体积比、溶液pH值等因素对水热过程的影响,探讨了焙烧温度和模板剂种类对介孔结构形成过程的影响。利用X射线衍射、低温氮气吸附、扫描电镜和透射电镜等手段对所制备光催化剂的晶体结构、介孔结构、比表面积和孔径分布、表面形貌等物理化学性质进行了表征。结果表明:随着水热温度增加,晶化度增强,平均粒径增大;相反,介孔有序性下降,比表面积下降。而水热时间对样品的晶化度影响不大。以乙醇-水混合溶液为反应介质,二者的体积比对锐钛矿的晶化程度和介孔结构都存在显著影响。以P123为模板合成介孔结构m-TiO2时适宜的合成条件是中性或酸性环境。通过两步焙烧法去除模板剂,第二步控制在350℃即可除去模板并使m-TiO2保持良好的热稳定性。实验确定了制备m-TiO2的最佳工艺条件:在中性环境中,以三嵌段共聚物P123为模板剂,溶剂中乙醇和水的体积比为1.5:1,在80℃下水热反应2h,经200℃、1h和350℃、2h两步焙烧去除模板剂,获得介孔结构的锐钛矿型m-TiO2。m-TiO2外观为颗粒均匀、形状规则的类球形,平均直径约为200 nm,由众多10nm左右的小粒子堆积而成。由N2吸附平衡等温线测得样品的比表面积为182.7m2·g-1,通过BJH方法计算其孔径为6.85nm左右。以甲基橙为模拟污染物,研究了最佳条件下制备的m-TiO2在紫外光照射下的光催化性能及寿命,结果表明合成产物对甲基橙降解性能良好,反应50 min降解率可达97.7%;且重复使用5次后,光催化活性仍保持在90%左右,优于商业光催化剂P25(重复使用5次后,对甲基橙的光催化降解率仅为56%)。此外,采用物理浸渍法和化学沉积法对最佳条件下制备的m-TiO2进行载银修饰。其中,物理浸渍法是在乙醇/水溶剂中,以AgNO3为银源、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂,采用溶剂热还原法首先制备纳米银粒子,获得了尺寸均匀的球形、立方、线状等不同形貌的银纳米颗粒;通过超声分散,将粒径较小且均一的准球形银纳米粒子等体积浸渍到m-TiO2表面。化学沉积法则是通过银镜反应将还原出来的银粒子直接负载到m-TiO2上。紫外光降解甲基橙实验表明,两种方法得到的Ag/m-TiO2样品的光催化降解性能比m-TiO2有显著提高,最佳载银量为2%(wt)。循环使用测试表明,化学沉积法所制备Ag/m-TiO2光催化剂的寿命明显优于物理浸渍法。
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