TiO2的实验报告
纳米TiO2的制备及其光催化性能的检验
实验报告
一、实验目的：
1、了解纳米TiO2的性质及应用。
2、掌握制备纳米TiO2的原理和方法，并比较不同方法的优缺点。
3、掌握检验纳米TiO2光催化性能的一般方法。
4、掌握离心机、分光光度计等仪器的使用方法。
二、性质：
（1）基本化学性质：
纳米TiO
2
化学性能稳定,常温下几乎不与其它化合物反应,不溶于水、稀酸,
溶于氢氟酸和热浓硫酸。不与空气中CO
2 ,SO
2
,O
2
等反应,具有生物惰性。纳米
TiO
2
具有热稳定性,无毒性。与硫酸氢钾或与氢氧化碱或碳酸碱共同熔融成钛酸
碱后可溶于水。相对密度约4.0。熔点1855℃。
（2）光催化：
纳米TiO2是一种n型半导体材料,禁带宽度较宽,其中锐钛型为3.2eV,金红石型为3.0eV,当它吸收了波长小于或等于387.5nm 的光子后,价带中的电子就会被激发到导带,形成带负电的高活性电子e-,同时在价带上产生带正电的空穴h+,吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成?O2-,而空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O
氧化成具有强氧化性的?OH,反应生成的原子氧、氢氧自由基都有很强的化学活性, 氧化降解大多数有机污染物,同时空穴本身也可夺取吸附在半导体表面的有机物质中的电子,使原本不吸收光的物质被直接氧化分解,这两种氧化方式可能单独起作用也可能同时起作用,对于不同的物质两种氧化方式参与作用的程度有所不同。这些原子氧、氢氧自由基和空穴还能与细菌内的有机物反应,生成CO2、H2O 及一些简单的无机物,从而杀死细菌,清除恶臭和油污。此外,半导体表面产生的高活性电子具有很强的还原能力,电子受体可直接接受光生电子而被还原, 故也可用来还原去除环境中的某些特定污染物,如: Cu2+等有毒离子。另外,光催化效率与激发态电子、空穴到达表面的时间有关, 纳米TiO2粒子作为光催化剂, 其粒径越小,电子、空穴到达反应表面的数量越多,光催化效率越高但是,由于TiO2本身禁带宽, 产生的电子-空穴对不仅极易复合而且寿命较短, 光响应范围较窄, 使光催化活性受到了一定的限制,且利用的光谱范围受到一定的限制。三、实验原理：
（1）制备
目前，纳米TiO2 的制备方法很多，一般可以分为物理法和化学法。常用的物理法有气相冷凝法、粉碎法和真空冷凝法。化学法可分为固相法、液相法（TiCl4液相水解法、溶胶-凝胶法、超临界CO2干燥法、微乳液法、水热合成法、均匀
气相氧化法、沉淀法、超声化学法等）和气相法（TiCl4氢氧火焰水解法、TiCl
4
钛醇盐气相水解法、钛醇盐热裂解法、惰性气体原位加压(IGC)法等）。本实验
。
采用沉淀法制备TiO
2
沉淀法是制备纳米TiO2的方法之一，通常以廉价易得的TiCl4、Ti(SO4)2和偏钛酸(TiO(OH)2)等无机钛盐为原料，是较经济的制备方式。主要过程是在含有一种或多种离子的可溶性盐溶液加入沉淀剂，之后体系将在一定的反应条件下形成不溶性的氢氧化物；将沉淀分离、洗涤、干燥，在高温煅烧得到氧化物粉体，该法操作简单易行，对设备。技术要求不高，产品成本低。
水合二氧化钛中吸附有大量的硫酸根，需要通过煅烧除去，一般脱硫温度为500～800℃（通常在650℃左右），添加钾盐脱硫温度最低可达480℃，随着硫的脱尽，二氧化钛由酸性变为中性。由于在燃烧期间有大量的H2O、SO3等释放出来，团块状的物料会变得疏松呈分散颗粒状态。
脱硫时间及效率会影响到二氧化钛粒子的成长和晶型转变。500℃以下的低温煅烧时，纳米二氧化钛为锐钛矿型，随着煅烧温度的提高，晶粒不断长大，在500～600℃时开始逐渐转化为金红石型。煅烧后，慢慢冷却可以使晶体得到松弛，减少晶格缺陷。
（2）催化降解实验
亚甲基蓝(C
16H
l8
N
3
SC1·3H
2
0)是一种有机偶氮类染料，在紫外光区没有明显的吸收，
也不分解，这就避免了吸收峰重叠的现象，因此广泛用于光催化剂降解效果的评价。
三、实验仪器及试剂：
试剂：浓硫酸、氨水、无水乙醇、亚甲基蓝、硫酸氧钛、去离子水、活性炭等。仪器：烧杯、玻璃棒、锥形瓶、PH试纸、电炉、表面皿、坩埚、烘箱、马弗炉、减压抽滤仪、721型可见一分光光度计、离心机、紫外灯、模拟太阳灯、
鼓气机、离心机等。
四、实验步骤：
（1）纳米TiO2的制备
称取8.20g TiOSO4于锥形瓶中，加入去离子水25.5ml，在电炉上适当加热并搅拌使其完全溶解，然后加入活性炭0.08g，除去溶液中的杂质。抽滤得到澄清溶液，冷水下，缓慢滴加浓度为33%的氨水并搅拌，至PH约等于5～6，立刻生成大量TiO(OH)2，得到白色浑浊溶液，抽滤。水洗若干遍，将得到的滤饼再次溶解于一定体积的浓硫酸（2.4ml）中，加去离子水稀释，再缓慢滴加浓度为33%的氨水，将PH调节到5～6，得到白色沉淀，抽滤，水洗、醇洗几次，然将得到的滤饼置于蒸发皿上，水浴蒸干（如图1所示），再放入坩埚内，马弗炉550℃煅烧2.5小时。得到产品。
沉淀的生成：TiOSO4+2NH4OH TiO(OH)2 +(NH4)2SO4
煅烧：TiO(OH)2 TiO2 + H2O
（2）TiO2光催化性能的检验
①、紫外光光催化评价
向量杯中加入80ml 0.025g/L的亚甲基蓝溶液（图2）测吸光度A
，向量杯中加入0.2g研细的TiO2产品，插入紫外灯并将鼓气机的胶管插入量杯，接通电源，用报纸包住量杯外壁，反应1小时。将得到的乳白色溶液（图3）离心，取上层清液侧吸光度A1。
②、可见光光催化评价
向烧杯中加入80ml 0.025g/L的亚甲基蓝溶液（图4），再加入0.2g研细的TiO2产品，在模拟太阳灯照射下反应一小时。将得到的溶液（图5）离心，测其吸光
度A 2。
五、实验数据处理： （1）产率：
TiOSO 4~~ TiO 2 1 1
8.20g m （理论）
m （理论）=
80160
20.8?g
=4.1g 实验所得TiO 2的实际质量为1.34g 产率=
%1001.434.1?g
g
=32.68% 经数据分析可以看出产率为32.68%，产率较低。其原因为： ①实验所用的硫酸氧钛不纯，含杂质较多。
②在制备过程中，硫酸的浓度、用量和氨水浓度对沉淀微粒的粒径产生影响较大。 ③本实验多次用到抽滤，部分沉淀移留在滤纸上，造成沉淀的损失，进而影响了最终TiO 2的产量。
④实验中用氨水形成沉淀时，调节的PH 也影响沉淀的形成而且在冷水中形成的沉淀较多。
（2）光催化数据： A 0 A 1 A 2 0.453
0.051
0.072
亚甲基蓝在紫外光下的降解率为：=
%100453.0051
.0453.0?-=88.74%
亚甲基蓝在可见光下的降解率为：=
%100453
.0072
.0453.0?-=84.1% ①由所得的吸光度可以看出：TiO 2对紫外光的催化效率相对可见光好。
②亚甲基蓝经光解后最后都得到的是乳白色的液体。但由可见光照射得到的液体比较其他组的淡蓝色出入较大，可能原因是粉末状的二氧化钛的吸附作用使颜色变化。
③结合其它用凝胶-溶胶法组的数据可以看出：两种方法所制出的产品的催化效率相近。为了能跟好的比较我们应该进行多组实验，得到确切的数据。
六、实验小结：
（1）加入硫酸主要是影响钛液的稳定性，进而影响产品的质量。
（2）在制备过程中，硫酸的浓度、用量和氨水浓度对沉淀微粒的粒径产生影响较大。而粒径大小直接影响纳米微粒的光催化活性。
（3）氨水浓度和酸钛比对于TiO
2
样品的光降解能力有着显著的影响。
（4）TiO
2
的粒径大小直接影响到产品的光催化效果。
（5）实验阶段应该隔一段时间就进行一次吸光度的测定，这样能更好地反映出
TiO
2的紫外光催化活性。实验中为了使TiO
2
充分于亚甲基蓝接触，使用鼓气机进
行鼓气。
七、实验心得：
图1：实验所制TiO
2
产品：
图2：80ml的亚甲基蓝
图3：经过紫外光解的亚甲基蓝
图4：80ml的亚甲基蓝
图5：经可见光光解的亚甲基蓝