TiO2 光催化材料的制備及其性能研究

王艷霞，姚遠卓，陳明慧，徐雨琦，段靖雅，王圣婕，馮宇揚，李鎮昊

（湖北工業大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢430068）

引言

隨著社會的高速發展，對化石燃料的需求逐漸增大，但其在地球上的儲量也在不斷降低。由此而來的環境污染（如有毒物質和工業廢物）和可再生能源資源短缺問題是世界面臨的兩大難題[1-2]。所以，開發環境友好、清潔、安全和可持續的能源技術是當今研究人員面臨的最緊迫的挑戰之一[3]。近些年來，各種各樣的光催化劑如TiO2[4]、BiVO4[5]、MoS2[6]、CdS[7]、g-C3N4[8]等受到廣泛的關注。TiO2由于其化學穩定性好、無毒、成本低等優點[9-11]，成為研究最廣且應用最多的光催化材料。

在光照作用下，二氧化鈦納米顆粒會將有機污染物分解成二氧化碳以及水等無污染的物質，這就讓二氧化鈦納米顆粒在環境治理上將有較大的作用，它的優勢在于不會產生二次污染物，充分利用太陽光能來做能源，成本也很低[12]。

本文采用水熱法制備了光催化性能良好的TiO2，同時探究了水熱溫度對TiO2光催化性能的影響，并用XRD與SEM 對其進行表征，獲得了比較好的結果。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗所使用的化學試劑包括鈦源，結構調整劑等，由表1 分類列出：

表1 實驗化學試劑

1.2 二氧化鈦的制備

取50mL 的無水乙醇置于燒杯中，再加入4mL 的鈦酸四丁酯，混合后常溫下攪拌30 分鐘，再加入1mL 的去離子水，繼續攪拌30min。隨后停止攪拌，靜置2h，最后再離心。醇洗，水洗2 次，置于恒溫干燥箱干燥12h，取出研磨，最后得到二氧化鈦白色粉體。分別取4 組0.5g 的二氧化鈦顆粒分別在110℃、130℃、150℃、170℃下進行水熱處理24h，接著用XRD 和SEM 進行表征。

1.3 樣品表征

通過SU8010 型場發射掃描電鏡（SEM，日本Hitachi公司）對樣品的形貌特征及大小進行觀察。測試時，將所測粉體制成無水乙醇的懸浮液，滴在涂有碳膠的銅質樣品臺上，待懸浮液中的無水酒精在室溫下揮發干燥，然后進行測樣。

通過Empyrean X 射線衍射儀對產物進行性能測試，利用X 射線在晶體中產生衍射和散射，用來檢測晶體物相組成、晶體內部原子結構、晶體結構完整性。

圖1 不同水熱溫度（（a）無水熱；（b）110℃；（c）130℃；（d）150℃；（e）170℃）下樣品的SEM 圖

1.4 催化劑的評價

對樣品進行光降解測試。降解物為20mg/L 的甲基橙水溶液，將150mL 甲基橙水溶液加入光催化反應儀中，然后稱取0.15g 的光催化劑樣品加入到甲基橙水溶液中。先在封閉反應器暗箱中做30min 暗吸附并測定其吸光度，達到吸脫附平衡后利用300W 氙燈光源（北京中教金源科技有限公司）模擬太陽光照射90min 進行光降解測試，每15min 取一次樣，離心并取上清液用紫外-可見光分光光度計（上海美析儀器有限公司）測試吸光度。通過公式（1）計算光催化劑在可見光下對甲基橙的降解率D。

其中A0為暗吸附后體系達到平衡的吸光度，Ai為定時取樣測定甲基橙廢水的吸光度。

2 結果與討論

2.1 光催化劑的形貌結構

2.1.1 微觀形貌

圖1 為樣品的掃描電鏡圖。（a）為原始樣品，未經過水熱處理，可以看出顆粒大小不均勻，有輕微團聚。（b）為水熱110℃的樣品，顆粒尺寸較均一，分散性較好，樣品表面有明顯的顆粒感。（c）中樣品與（b）相比顆粒尺寸均一性不好，其他特點相近。（d）中樣品的成型不太好，形狀不是很規則。（e）中樣品與（d）中類似，但比其規整。綜上，110℃水熱下的樣品形貌最好。

2.1.2 晶型結構

圖2 為所制備二氧化鈦納米顆粒的樣品XRD 圖。從圖中我們可以看到四種不同溫度下，當樣品2θ=27.45°時衍射峰最為明顯，當2θ 為36.84°、42.58°、55.41°、70.24°時，衍射峰晶面為（101）、（111）、（211）、（301），通過這四組衍射峰發現四種溫度下的衍射峰都基本一致，且隨溫度升高樣品衍射峰也越來越明顯。通過物相分析，我們可以看出樣品中主要晶相都是金紅石晶型二氧化鈦，在110℃條件下，TiO2的衍射峰最強，樣品純度最高。

2.2 光催化降解甲基橙

當原料在水熱溫度110℃，時間24h 時，形貌最好，其中的TiO2顆粒最均一，此樣品的光降解性能也是最好。圖3 為在可見光下5 種樣品對甲基橙溶液光催化降解圖，該圖顯示了在30min 暗吸附結束后加入TiO2納米片光催化材料0.15g，在300W 氙燈模擬自然光照射不同時間的甲基橙溶液的光降解圖（初始濃度為20mg/L，體積為150mL）。甲基橙的典型吸收峰在465nm 處。在照射過程中，甲基橙溶液顏色隨著反應時間的增加逐漸變淺。由圖3 可以看出110℃水熱下的樣品的光催化降解效果最好，可以達到85.7%。

圖2 不同水熱溫度（（a）110℃；（b）130℃；（c）150℃；（d）170℃）下樣品的SEM 圖

圖3 可見光照射60min 樣品對甲基橙溶液的光降解曲線

3 結論

通過水熱法，以鈦酸四丁酯和乙醇為原料，調整水熱時間，制備出有較強光降解效果的二氧化鈦。最終發現在水熱溫度為110℃時，形貌最好，且光催化降解效率最高。