二氧化鈦空心微球光催化材料的研究進展

賈帥強 隋國哲 李金龍 杜麗娟 李博鑫

(齊齊哈爾大學 化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

近年來，對二氧化鈦光催化材料結構和形貌的研究，已成為納米催化材料領域中引人注目的研究方向之一[1～4]。通過對納米材料的結構進行構筑，改變納米催化材料的形貌及結構，增大納米材料的比表面積，增強其穩定性。空心結構微球具有低密度、高比表面積、殼層結構滲透性好、捕光效率高以及特殊的物理性質[5～7]，而備受研究者的青睞。由于空心結構微球的殼層材料具有較好的物理、化學性質，使得研究者可對微球的殼體結構，尺寸進行調節，改變其光電性質。二氧化鈦空心微球結構可以擴大二氧化鈦的比表面積，能夠給催化反應提供較多的活性位點，且其較高的結晶度能減少光生電子和活性空穴的復合速率[8～10]，從而提高催化活性。另一方面，從改性的角度出發，空心結構可以為TiO2材料的進一步改性提供空間。

本文著重介紹了近幾年來國內外TiO2空心微球的主要制備方法及研究現狀，對這些制備方法的優缺點經行對比總結，并對二氧化鈦空心微球光催化劑將來的發展方向及應用前景進行了展望。

1 模板法

模板法制備空心結構納米材料是目前備受國內外學者青睞的一種制備方法，模板法通常采用單分散、形貌及尺度均勻的二氧化硅球、聚苯乙烯球及碳球等作為模板核心，通過各種方法，控制前驅體在模板表面沉積，得到所需產物，形成表面包覆的核-殼結構。然后在煅燒或有機溶劑腐蝕的作用下，去除模板內核，得到空心結構，空心結構的大小一般由模板的尺寸決定。其制備方法主要分為溶膠-凝膠法、模板層層自組裝法和軟模板法。

1.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是制備二氧化鈦空心微球納米光催化劑比較常用的一種方法，通過條件控制前驅體(一般采用鈦酸丁酯、四氯化鈦等)的水解速率和凝聚速率，利用模板核(一般是膠體粒子或無機粒子等)與二氧化鈦分子表面之間產生的靜電吸附作用，以模板核為核心使二氧化鈦分子沉降在其周圍，得到均勻完整的二氧化鈦分子包覆殼層，殼層的厚度可以通過前驅體用量進行控制，接著去除模板劑核，一般是通過高溫煅燒去核或溶劑腐蝕去核，進而制得。其示意圖如圖1。

圖1 溶膠-凝膠法制備TiO2空心微球示意圖Fig 1 Schematic diagram of TiO2 hollow microspheres(TiO2-HMSs) prepared by sol-gel method

Cai 等[11]以PS微球為模板，采用溶膠凝膠法將模板分散于鈦酸丁酯的無水乙醇溶液中，攪拌20 h，通過控制滴加速度來控制催化劑球體的大小，離心去除未被包覆的鈦酸丁酯，干燥后得到PS/TiO2核殼式復合結構微球，并通過煅燒去除內核得到銳鈦礦TiO2空心微球(圖2)。

圖2 用PS球作模板制備TiO2空心微球示意圖Fig 2 Schematic diagram of TiO2-HMSsprepared by PS template

Song 等[12]以碳球為犧牲模板，三氯化鈦為鈦源，采用溶膠-凝膠法制備了二氧化鈦空心微球光催化材料。其以葡萄糖為原料采用水熱法制備出粒徑為500～600 nm的碳球，利用溶膠-凝膠法在碳球表面包覆一層二氧化鈦，最后通過高溫煅燒去除碳球。用此方法制得二氧化鈦空心微球，殼層結構為銳鈦礦二氧化鈦納米鏈結構，具有較大的比表面積和較高的光催化活性(圖3)。

圖3 碳球為模版制備TiO2空心微球的微觀結構Fig 3 Microstructure of TiO2-HMSs preparedby using carbon spheres as template

1.2 模板層層自組裝法

模板層層自組裝法制備二氧化鈦空心微球是以高分子乳膠粒為模板劑，在液體和固體界面形成由帶相反電荷的聚電解質通過靜電吸附作用交替沉積制備出多層二氧化鈦分子層膜，再通過溶劑腐蝕或高溫煅燒等方法除去模板就可以得到二氧化鈦空心微球材料。

此法用于納米技術包覆空心結構制備，模板劑表面與無機納米粒子之間的靜電作用隨電解質修飾而增強，通常與表面電荷相反的電解質先被吸附，再通過靜電作用將納米粒子自組裝到被包覆離子表面。He 等[13]采用溶膠-凝膠法與自組裝技術相結合的工藝，以鈦酸丁酯為原料、聚乙二醇-4000作為內“核”以陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉為介質，通過逐層自組裝法制備了多層組裝的TiO2空心微球。

層層自組裝法的優點在于其可以改變聚合電解質的沉積次數，通過控制包覆層的厚度， 使聚電解質與中殼層之間的靜電作用力增強，提高層殼穩定性，并且其對內核的大小、組成要求不嚴。但其也存在缺點，實驗操作步驟相對繁瑣，壁厚沉積需要多次包覆操作實現。

1.3 軟模板法

軟模板法是以囊泡、膠團、水滴和微乳液等為模板劑，通過共價鍵之間的作用力，在兩相界面之間經水解或縮聚反應，再結合電化學、沉淀法等技術形成液滴或凝膠的核殼結構，通過揮發手段或加入溶劑，使所得產物和模板分離開來，再通過高溫煅燒去除表面的活性物質得，得到空心微球。可以通過調控其空間限制作用和所使用模板劑的調節作用得到不同的結構材料。此方法的弊端是不能大規模使用，因為軟模板法需要用大量的有機溶劑，易造成環境污染等問題。

微乳液法是合成微納米空心結構的一種常用軟模板法。Zurmühl 等[14]先在離子液體中形成了水包油型的液滴，并以這些液滴作為軟模板，利用接觸界面處鈦前驅體的水解反應生成球殼，一步合成了二氧化鈦中空微球。采用凝膠填充反相微乳劑法制備銳鈦礦二氧化鈦空心微球，以水為極性相，n-十二烷為非極性分散相，溴化十六烷基三甲銨(CTAB)作為表面活性劑，1-己醇作為表面活性劑形成穩定的W/O型微乳液滴作為軟模板，通過TiCl4模板表面的反應，得到了薄殼層的二氧化鈦空心微球。Chen 等[15]采用輔助反相微乳液/溶膠-凝膠法，在攪拌條件下將正辛胺滴加入正己烷中，轉移至低溫恒溫器中，于-40 ℃溫度下攪拌48 h，得到微乳液。將鈦酸丁酯加入上述微乳液中攪拌一定時間，冷凍干燥去除多余的水和溶劑，并用乙醇洗滌數次去除表面活性劑，干燥得到單分散、壁厚可調的二氧化鈦空心微球。

2 水熱法

水熱法是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶的物質溶解，或反應生成該物質的溶解產物，通過控制高壓釜內溶液的溫差使產生對流以形成過飽和狀態而析出生長晶體的方法。利用水熱法制備納米空心微球材料，已經被普遍認為是一種比較成熟的制備催化劑的技術。其操作方法是在密封的壓力容器中，以水為溶劑在高溫高壓的條件下進行化學反應進而合成新的化合物的過程。

Li 等[16]以Ti(SO4)2作為鈦源，NH4HF2作為晶面控制劑，H2O作為溶劑，在200 ℃下水熱反應12 h，通過提高氟鈦比來提高氟離子濃度以及溶液的酸度，并加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)提高顆粒的均勻性和分散性，制備出高能晶面暴露比較大的納米片組裝TiO2中空微球。Li 等通過無模板水熱法制備了二氧化硅保護下二氧化鈦空心微球前驅體，以熱水為腐蝕劑去除二氧化硅，得到結構較穩定的超薄多孔二氧化鈦空心微球。

Lan 等[17]以磷鎢酸鉀為模板，硫酸鈦為鈦源，將其攪拌混合后，混合液密封于內襯聚四氟乙烯不銹鋼反應釜中，在125 ℃反應8 h，經水熱反應后冷卻至室溫，經過濾獲取產物，將其分散于氫氧化鈉溶液中，攪拌1 h，后水洗至中性，干燥后即得到二氧化鈦空心微球。

圖4 用KPW固體微球作為模板制備TiO2空心微球的機理示意圖Fig 4 Strategy for fabrication of TiO2-HMSsusing KPW solid microspheres as templates

3 一步法

一步法是近幾年來新興的一種制備空心材料的方法，學者在模板法的研究基礎之上成功研究了一步合成納米TiO2空心微球光催化材料的新方法，他們先將溶劑對有機金屬前驅體的水解催化作用和對大分子模板劑的溶解作用結合起來，一步完成了對大分子模板劑的包覆和溶解過程，一步法簡化了模板法合成空心微球材料的操作過程。但為了使納米TiO2空心微球具有較高的光催化活性，還必須通過高溫煅燒對TiO2空心微球進行晶化，但這一過程往往會導致納米材料發生團聚以及空心結構的破壞。

Lai 等[18]以草酸鈦鉀、雙氧水和硝酸為原料通過水熱法一步制備出了金紅石相的二氧化鈦空心微球。此合成方法不需要模板并且在低溫(80 ℃)低壓條件下就可制得，是一種新型的制備二氧化鈦空心微球的方法。在紫外光照射下其對羅丹明B表現出了很好的光催化活性。

4 噴霧反應法

噴霧反應法則是先將溶質溶于水、乙醇或其他溶劑中，再進一步霧化成液滴，設定一定的溫度和壓力，使液滴表面的溶劑迅速蒸發。隨后溶質發生沉淀。并慢慢地沉積形成一個球殼結構，與此同時顆粒內部的壓力會增大，形成表面多孔的空心微球結構。

Liu 等[19]以四氯化鈦為原料，將四氯化鈦與乙醇蒸汽混合通過一種表面擴散火焰，建立了一種連續的大尺度空心鈦球的大規模合成方法。由冷卻氣體的夾帶進入膨脹的高速射流，四氯化鈦與乙醇的混合蒸氣被以100 m/s的速度輸送到一個火焰反應堆中，并壓縮成中尺度的液滴，水解后形成粒徑約為300 nm，殼層厚度為35 nm的二氧化鈦空心微球。用這種方法制備空心微球，空心微球粒徑的大小可以通過改變噴嘴的尺寸和前驅體溶液的濃度來調控。但是所需溶解溫度較高，該方法更適用于熔點較高的金屬及金屬氧化物等空心微球材料的制備。

噴霧反應法的整個合成過程清潔無污染、不需要使用模板、操作簡單制備過程連續，不需添加劑(如表面活性劑)等優點，更適合工業化生產。

5 無模板-Ostwald熟化法

無模板法是相對于模板法而言，不需要引入模板而形成空心粒子結構。其中最為典型的即為Ostwald熟化法，熟化理論是Wilhelm Ostwald于1896年發現的的一種描述固溶體中多相結構隨著時間的變化而變化的一種現象[20-22]。一般認為液相法合成納米顆粒的形成過程包括成核、生長、Ostwald 熟化、生長終止和納米顆粒穩定化四個階段。Ostwald熟化法在納米材料的制備中被證實，并為制備納米空心結構材料提供新的思路。

Nguyen 等[23]利用Ostwald 熟化理論通過水熱反應制備了自組裝二氧化鈦空心微球。Lin等[24]以硫酸氧鈦為原料通過無模板熱溶劑法制備出微米級銳鈦礦二氧化鈦空心微球，得到平均直徑為1.2 μm，殼層厚度為50 nm的空心微球。此方法制備出的空心微球，比表面積大，采光效率高，可回收利用。Bao 等[25]以鈦酸丁酯為原料，通過無模板水熱法成功地制備出銳鈦礦二氧化鈦空心微球，并通過調節反應時間和溫度來調控微球的形貌。

Ostwald熟化法相對于模板法而言，不需模板劑，控制參數少，易于工業化生產。由于無模板法沒有內核作為構筑物，因此制備的微球殼層結構不如模板法制備的微球結構規整。

6 展 望

由于二氧化鈦空心微球納米光催化材料具有廣闊的應用前景，已成為催化材料研究領域的一個熱門。通過研究開發有效的制備方法，通過對二氧化鈦空心微球納米光催化材料的組成、尺寸的厚度調控是今后的研究重中之重。模板法易于控制微球的孔徑和殼層厚度，分散也比較均勻，得到的空心微球也是最理想的結構。但是模板法步驟復雜，且在去除模板的過程中殼層容易被破壞，導致微球出現缺陷。噴霧反應法和無模板法具有制備過程連續，操作簡單，且無污染等優點，在制備的過程中均不需要模板劑，降低了生產成本，更具有工業化生產的潛力。另外，如何通過表面修飾和組裝對二氧化鈦空心微球進行改進，并引入有序功能性的組分，使常規二氧化鈦空心微球納米材料高性能化、功能化和穩定化，從而獲得性能比較穩定的催化材料將成為今后一個值得廣泛關注的問題。

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