溶胶_凝胶法制备TiO_2_活性炭复合体的影响因素
溶胶-凝胶法制备TiO2粉体及掺杂锰对光催化性影响
１ 引言
全球性 环 境 污 染 问题 越 来 越 严 重 ，环 境 污 染 物 的有 效 处 理 、水 和 空气 的 净 化 正 成 为世 界 各 国 实 现 可持续 发 展 的一 个 重 要 制 约 因 素 。 目前 ，传 统 的处 理水 中 有 机 物 的 手 段 为 ：活 性 炭 法 、膜 技
二 氧 化钛 的 晶体 结 构 、 比表 面 积及 掺 杂 等 因 素 对 其 光催 化 活 性 的 影 响 。 关 键 词 ： 溶胶 凝 胶 法 ； 二氧 化钛 ；硼 掺 杂 ； 光催 化 性 能 中 图分 类 号 ：Ｘ１ １２ ３ ． 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ —５ ２ （０ ２ ４— ０ １ ０ ０ ９ ６４ ２ １ ）０ ０ ２ — ３
溶 胶一 凝胶 法 制备 Ｔｉ 粉体 及 掺 杂锰 对 光催 化 性 影 响 Ｏ２
单连 伟 ，王继华 ，丁 军 ，徐 妍 ，董丽敏 ，韩志东
（ 尔滨理工大学 哈 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ，哈 尔 滨 １０ ４ ） ５ ００
摘
要 ：提 出 了 以钛 酸 四 丁酯 为 前 驱 物 ，采 用 溶 胶 一 胶 法 制 备 Ｔ（ｚ 体 。 以 Ｍｎ （ Ｈｚ 为 锰 源 ，制 备 凝 ｉ 粉 ） Ｓ） ・ Ｏ
ＲＥ ￡ Ｒ‘ Ｈ ＆ １ＥＶｌｌ（ 、Ｉ ｌＡ ） ￡ ）
６ ｏＣ 烧结 ２ ｏ￣下 ｈ的光降解 效果较好 。
３ 结果 与讨论
３ １ Ｘ射线 衍射分 析 ．
图 １给 出 了纯 Ｔｉ２ （０ ℃ 煅 烧 ２ ） 的 Ⅺ ０ ６０ ｈ
谱 。依次是浓 度 １ ６０Ｃ下烧结 ２ 在 ０ｏ ｈ的 Ｔｉ２ Ｏ 粉体 和 掺 杂 比为 ０８ 的改 性 Ｔｉ２粉 体 Ｘ Ｄ分 析 图 谱 。 ． Ｏ Ｒ 根据 对 比标 定 ，由 图 谱 可 以看 出 ，掺 杂 后 的 Ｍｎ －
溶胶-凝胶法制备TiO2-SiO2复合粉体
2011-2012第1学期期末综合实验报告溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体姓名：学号：0812207123班级：材本0804指导教师：何静题目：溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体一、实验目的及要求（1）了解并撑握进行科学研究的过程，提高学生的逻辑思维能力，为以后进行科学研究奠定基础。
（2）提高学生的实验动手能力和科学分析能力，使学生通过这次锻炼能够撑握科学实验的过程，从而激发对科学研究的兴趣。
（3）通过本次综合实验，使学生把书本上的理论和实际结合起来，从而达到学以致用的目的。
（4）写出完整的实验报告，重点分析实验结果并进行详细的讨论，提高学生的数据处理能力。
二、实验原理溶胶—凝胶法是一种湿法化学工艺，由金属醇盐或其它盐类溶解在醇醚等有机溶剂中形成均匀的溶液，溶液再通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的聚合反应经过溶胶—凝胶转变形成凝胶。
在低温阶段发生的溶胶到凝胶的转变过程，可以用来制备涂层。
采用溶胶—凝胶法的基本过程是：易于水解的金属化合物（无机盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化。
其基本的反应过程是水解反应和聚合反应。
反应方程式如下（以合成氧化钛为例）：水解反应：Ti－OR＋H2O→Ti－OH＋ROH聚合反应：Ti－OH＋RO－Ti→Ti－O－Ti＋ROHTi－OH＋OH－Ti→Ti－O－Ti＋H2O式中：R﹦C4H9由于溶胶—凝胶法是目前广为采用的纳米粉体制备方法，因此本研究采用溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2超细粉体。
即采用钛酸丁酯、正硅酸乙脂为主要原料，加入去离子水和无水乙醇配制成反应溶液，并加入乙酰丙酮作抑制剂以缓解钛酸丁酯的强烈水解作用，从而形成均匀而透明的溶胶。
溶胶经干燥、煅烧后制备成TiO2－SiO2粉体。
三、实验内容（1）撑握TiO2光催化剂的制备机理及方法。
（2）探究溶胶pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响机理及规律。
（3）考察水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响及规律。
TiO2／活性炭负载型光催化剂的溶胶-凝胶法合成及表征
Ｓ ｌＧｅ ｅ ｒ ｔｏ ｎ ａ ａ ｔ ｒ ｚ ｔｏ ｆ Ａｃ ｉ ａ ｅ ｒ ｏ ｏ － ｌＰｒ ｐａ ａ ｉ ｎ ａ ｄ Ｃｈ ｒ ｃ ｅ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｔｖ ｔ ｄ Ｃａ ｂ ｎ
Ｓ ｐ ｏ ｔ ｄ Ｔｉ ０ ０ ａ ａ ｙ ｔ ｕ ｐ ｒ ｅ Ｏ２Ｐｈ ｔ ｃ ｔ ｌ ｓ
ＬＩ Ｓ ｏ ｘ ｎ ．ＣＨＥＮ Ｕ ｈ ｕ ｉ Ｘｉ
（ ｏｌ ｅｏ ｔｒａ ｃｅ ｃ ｎ ｇ’ｅｒｎ Ｃ ｌ ｇ ｆ ＭａｅｉｌＳ ｉｎ ｅａ ｄ Ｅｎ ｚ ｅｉｇ，Ｎｏ ｔｅ ｓ Ｆｏｅｔｙ Ｕｎｖ ｒｉ ｅ ｎ ｒｈａ ｔ ｒｓｒ ｉｅｓｔ ｙ，Ｈａ ｂｎ １ ０ ４ ｒ ｉ ５ ０ ０，Ｈｅｌｎｊａ ｇ，Ｃｈｎ ｉ ｇｉｎ ｏ ｉａ）
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｃｉａｅ ａｂ ｎ （ ｔ ｔｄｃ ｒ ｏ ＡＣ）ｓ ｐ ｏ ｔｄＴｉ ｈ ｔ ｃｔ ｌｓｓ（ Ｏ２ ＡＣ）ｗｅｅｐ ｅ ａ ｅ ｙａｓ ｌ ｅ ｍｅｈ ｄ ｖ 一ｕ ｐ ｒｅ Ｏ２ｐ ｏ ｏ ａａｙ ｔ Ｔｉ ／ ｒ ｒｐ ｒｄ ｂ ｏ— ｌ ｔ ｏ ｇ ｆｏ Ｔｉ ＯＢ ４ ｒ ｍ （ ｕ） ．Ｔｈ ｈ ｔｃ ｔｌｓｓｗｅｅ ｃ ａ ａｔｒｚｄ ｂ ｒｙ ｄｆｒｃｉｎ ｉ ｕ ｅ ｒｆ ｃａ ｃ ｐ ｃｒｓｏ ｙ ｅｐ ｏｏ ａａｙ ｔ ｒ ｈ ｒｃｅｉｅ ｙ Ｘ—ａ ｉ ａ ｔ ，ｄｆ ｓ ｅｌ ｔｎ ｅ ｓ ｅ ｔｏ ｃｐ ， ｆ ｏ ｆ ｅ
Ｔ０ ／ Ｃ负 载 型 光 催 化 剂 ．采用 ｘ射 线 衍 射 、 反射 光谱 、 里 叶 变 换 红 外 光 谱 、 描 电 镜 、 ｉ２Ａ 漫 傅 扫 能量 色 散 谱 和 低 温 液 氮 吸 附 等 对 光催 化 剂 晶相 结 构 、 谱 特 征 及 表 面结 构 进 行 了表 征 光 结果 表 明， ＡＣ可 提 高 ＴＯ 分 散 性 能 ， 低 ＴＯ ｉ２ 降 ｉ２团 聚 体 的尺 寸 ， 抑 并
溶胶-凝胶法制备TiO2凝胶的影响因素及方法改进
第 ２ 卷 第 ３期 ５ ２０ ０ ７年 ５月
北 京工 商大 学学 报 （ 自然 科 学 版 ） Ｊｕｎｌｆ ｅｉ ｅ ｎｌ ｙ ｎ ｕｉ ｓｕ ｉ ｒｔ（ ａ ｒ ｃ ｎｅ ｄ ｉ ） ｏｒａｏ Ｂｉ ｇ ｃ ｏ ｇ ｄ ｓ ｅ ｎ ｅ ｉ Ｎ ｔ ａＳｉ ｃ Ｅ ｉ ｎ ｊ Ｔ ｈ ｏ ａ Ｂ ｎ ｓ ｖ ｓｙ ｎ ｕｌ ｅ ｔ ｏ
溴化铵 （ Ａ 以及 聚 乙二 醇 、 醚 等 各类 大 分 子 模 Ｓ Ａ） 聚 板剂 ［ 这 些组 分的 加入往往 使得 Ｔ Ｏ 溶 胶快 速胶 ， ｉ，
凝， 因此制备 Ｔｉ２ Ｏ 负载 酸催 化剂 时需要更 好 的溶胶 稳定性 ， 使各组 分溶 胶 状 态 充分 混 合 均 匀 后再 慢 慢 形成 凝胶 ． 于 这 些制 备要 求 ， 对 现有 文 献 中仅 仅 通 过对 醇量和 冰 醋 酸 量 的调 节 是 不 够 的［６．本 研 究 ４］ － 的创新 点在于 对凝胶 时 间的各影 响 因素考 察分析 的 基础 上 ， 过改 变酸 和 螯 合 剂 的种 类 ， 出较 低 ｐ 通 得 Ｈ
的优 点＿ ．溶 胶一 胶法 是 较 早 采 用 的 制 备 二 氧 化 １ Ｊ 凝 钛纳 米粒子 的方 法 ， 方 法 在水 解 过 程 中 能促 进 晶 该 核 的形成 ， 抑制 晶核 的长大 和颗粒 的聚 集 ， 而且制 作
本研 究 以钛 酸 四丁 酯 为前 驱体 ， 无水 乙醇为 溶
作者简介 ：杨依隆（ ９０ ） 山东单县人， １８ 一 ， 硕士研 究生， 究方 向为 固体酸催化剂 ； 研
辛 秀 兰 （ ９７ ）黑 龙 江 伊 春 人 ， 教授 ， 士 ， 要 从 事 固 体 酸 、 墨工 艺研 究 通 讯 联 系 人 １６ 一 ， 副 博 主 油
溶胶-凝胶法制备TiO2粉体及掺杂锰对光催化性能的影响
３ ． ２ 光催 化性 能
分别 在 ５ ０ ０ ℃ 、５ ５ ０ ℃ 、６ ０ ０ ℃和 ６ ２ ０ ｏ Ｃ下 烧 结
均随炉冷却 。以 Ｍｎ Ｓ Ｏ ４ ・ Ｈｚ Ｏ为锰源，制备 Ｔ ｉ Ｏ 改 性粉 体 。 根 据 计 算 分 别 取 一 定 质 量 的 浓 度 为 ０ ． ０ ５ ｇ ／ ｌ Ｏ Ｏ ｍｌ 的 Ｍｎ Ｓ （ ） ４ ・Ｈ２ Ｏ，和 四份 ０ ． ６ ｇ样 品 １ ，配 置 成 掺 杂 百 分 比 分 别 为 ０ ． １ 、０ ． ２ 、 ０ ． ４ 和 ０ ． ８ 的混合溶液 。将 ４ 组溶液 密封，放 人鼓 风干 燥 箱 干 燥 。干 燥 后 用 研 钵 研 磨 ，放 入 坩 埚 ，在 ６ ０ ０ ℃下 的马 弗炉 中煅 烧 ２ ｈ后 ，随炉 冷 却 ， 保存待用 。 借助 Ｄ ／ Ｍａ ｘ －２ ５ ５ ０ Ｐ Ｃ型 Ｘ射线衍射仪 （ 日 本 Ｒ ｉ ｇ ａ ｋ ｕ公 司 ）分 析 Ｔｉ Ｏ。的 晶化 程 度 、晶 相 组 成 。 Ｘ ＲＤ测 试条件 ：在室 温 、Ｃ ｕ Ｋａ 、管压 ４ ０ ｋ Ｖ、管 电流 ３ ０ ｍＡ、扫描 角度 范 围 ２ ｅ为 ２ ０ 。 ～７ Ｏ 。 ，扫描 速 率 ｏ ／ ａｉ ｒ ｎ 。选取 品 红 和 甲基 红 来 模 拟 典 型 有 机 污 染 物 ，来 测 试 Ｔｉ ｏ。 粉 体 和 Ｍｎ掺 杂 改 性 Ｔｉ Ｏ。粉 体 在天 然 太 阳光 照 射 下 的 光 催 化 活性 。并 用 分 光 光度计对可见吸收光谱对 比测试分析。
性 、光辐射下 的高稳定性等优势 。因此 ，Ｔ ｉ Ｏ 。 正 逐渐成为最有潜力的半导体光催化材料［ ２ ］ 。２ ０ ０ １
年 ，Ａ ｓ ａ ｈ ｉ 等 人详 细计 算 了 Ｆ 、Ｎ、Ｃ 、Ｓ 、Ｐ 、Ｎ ｉ 等元素掺杂的锐钛矿 Ｔ ｉ Ｏ 的电子结构 ，并 以实验
溶胶-凝胶工艺参数对介孔TiO_2的影响
义“ ， 于 多孑 物 质孔 径 ＞ ５ ｍ 的 孔 为大 孔 ， 对 Ｌ Ｏｎ 孔径 介 于 ２ ０ｎ 之 间的孔 为 介 孔或 中孔 ，Ｌ ～５ ｍ 孑 径＜ ２
ｎ 为微 孔 ． ｍ
９ 年 代 初 ， ｅｇ 。首 次 在 Ｎａｕｅ杂志 上报 导 了 一类 以硅 铝 酸 盐 为基 的新 颖 的 介孔 氧化 硅材 ０ Ｋｒｓｅ等 ｔｒ
关键 词 ： Ｌ ｉ 溶胶一 介孑 （ ； Ｔ） 凝胶 中 图分类 号 ： Ｂ ２ Ｔ ３１ 文献 标识 码 ： Ａ
０ 引 言
多 孔 固体 由于 其 高 比 表 面 在 技 术 上 可 被 用 作 吸 附 剂 、 化 剂 和 催 化 剂 载 体 ． 据 Ｉ ＡＣ 的 定 催 根 ＵＰ
内蒙 古 二 业 大 学 学报
ｊ ｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＮＮＥＲ ＯＮＧＯＩＩ Ｉ Ｍ Ａ
第 ２ 第 ３期 ８卷
ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｉ
文 章 编 号 ：０ １ ｌ ７ ２ ０ ）３０ ３０ １０ —５ （０ ９０ — １ —６ ６ ９
溶 胶一 胶 工 艺 参数 对介 孔 Ｔｉ 的 影 响 凝 Ｏ２
非 常高 的光催 化活性 。 就 意 味着 ， Ｌ Ｏ 这 介孑 Ｔｉ 材料 可 以作 为一 种高 效 的 催化 剂被 广泛 应用 ． 另外 在
污 水 处理 和 自洁 设施 等 环境 保 护方 面 也具 有 广泛 的应 用前 景． 当在 紫 外光 下 照 射时 ， 因受光 的 激发 ， 在
介 孑 Ｔｉ 材料表 面 会产 生大 量 的光生 电子 和空 穴对 ， Ｌ Ｏ。 因介 孔 Ｔｉ 材 料的 比表 面 积大 ， 以生 成的 电子 Ｏ。 所 空穴对 的数量 也 非常 大 ， 这就 使 材 料 的介 孔 Ｔｉ 材 料具有 非 常快 的光 电 转换 速 度． Ｏ 因此 ， 孑 Ｔｉ 。 介 Ｌ Ｏ 材 料 有希 望被 用作 高效 光 电转 换 材 料使 用 ， 可 以用来 制 造太 阳 能 电池 等 ． 如 因其 较 大 的 比表 面 积 ， 孔 介
溶胶-凝胶法制备纳米TiO2及其光催化活性研究
匀透 明的黄色溶液① ； ２ ）在室温下将总醇量 ｌ 的无水乙醇、冰醋酸 、 ／ ３ 蒸馏水充分混合， 形成溶液②，置于分液漏斗中备用； ３ ）磁 力搅 拌下 ， 将溶液②缓慢滴 加到溶液①
中 ，得 到均 匀 透 明 的溶 胶 ，陈化 后 得 到 凝 胶 ； ４ ）将 凝胶 置 于恒温 真空 干燥 箱 中 ，８ ０℃烘 干 ，
水平 的选 取见表 １ 。
表 １ 因素与水平的选取
Ｔａ ｌ Ｓｅｅ ｔ ｄｆ ｃｏｓａ ｄＩｖ ｓ ｂｅ １ ｌｃｅ ａ ｔ ｒ ｎ ｅｌ ｅ
注 ： Ｉ， Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ代表 各因数 的水平
２４ 光 催化 性 能 测 试 ．
样品的光催化性能以光催化降解 甲基橙来评价。 光催化降解在 Ｓ Ｙ １ Ｇ 一 型多功能光化学反应仪 （ 南京 斯东柯仪器有限公司生产 ） 上进行 ， 光源为 ５０Ｗ 的 ０
２ 实
验
２１ 实验 原 料 ．
钛酸四正丁酯（ Ｒ ， Ａ ） 乙醇（ Ｒ ， Ａ ） 冰醋酸（ Ｒ ， Ａ ）
甲基橙 （ 指示 剂 ） ，蒸 馏水 。
的Ｃ， ， Ｏ ，ＨＯ及一些简单 的无机物 ，这 为消除环境
污染 、水 处 理 开辟 了一 条 新 的途 径 ｌ 目前 纳 米 。
表 ２ 正交实验安排及 实验结果
Ｔ ｂｅ Ｏｒ ｏ ｏ ａ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｒｎ ｉｇ ｎ ａ ｌ ２ ｔ ｇ ｎ ｌ ｘ ｅｉ ｈ ｍｅ ｔ ｒ ｇｎ ａ ｄ ａ
ｅｐ ｒ ｘ ｅ ｉ ｎ ａｌ ｅ ｕｔ ｍｅ ｔ ｓ ｌ ｒ ｓ
作为考察对象 ，并分别对它们取 ４ 个水平 。因素 与
东营
２７６ ， ５ ０ １
溶胶-凝胶法制备TiO_2粉体影响因素分析
于 水 和 钛 酸 四 丁 酯 不互 溶 ，在 没 有 分 相 剂 的 情 况 下 它 ｔ ￣ 难进 行水 解 反 应 。 无 水 乙 ｆＥ ］ 醇 的 加 入 使 得 水 分 子 和钛 酸 四 丁 酯 分 子 充 分接触， 有利 于水 解反 应 的进 行 。 如果 没 有 加 入乙 醇 作 分 相 剂 ，水 分 子 和 钛 酸 四 丁 酯 分子在接触层上发生水解反应 ，之后生成 本 文 通过 实 验 初 步 确 定溶 胶 一凝 胶 法
制备 Ｔ Ｏ 粉体影响 因素分析 ｉ２
王柏昆 袁源 黄舒 中国地质 大学 （ 北京 ）材料科 学与工程 学院 １ ０ ８ ０５ ０
影响 。
在光催 化领域扮演重要 角色的 Ｔ 。 ｉ 的制备方法 ０ 很 多 。 本 文对 溶 肢 凝 ～ 胶 法 带 备 Ｔ０ ｊ ｛ 粉 体 的 影 响 因素 进行 了浅析 。本 文采 用单一 变量 发 法 对 反 应 物 浓 度 、 应 物 的 量 及 乙 醇 分 相 荆 的
表 ２ 反应物的量影响实验中试剂的加入量
原滚 祷 蔽 ｎ
备 Ｔｉ 粉体操作 简单 ，重复性 好 。但是 Ｏ 该法中工艺条件对产品的性质有很大的影 响。 只有严格地控制反应中的工艺条件 ， 才
能制 出所需要的 ｉ Ｆ 粉体 。本文对溶胶 Ｏ 凝胶法制备 Ｔ Ｏ 粉体的影响因素进行 了浅 ｉ， 析 ， 出 以下 结论 ：反应 物 浓 度 、 相 剂 的 得 分 加入等 凶素对产品性质有影 响 ，而反应物
加 八 等 因素 进 行 实 验 ，得 出溶 胶 凝 一 胶 法 制
限公 司；定时增力电了搅拌 器，ＴＬ ２ Ｊ ， 江 苏姜堰 市天力医疗器械有限公司 ；电热 鼓风干燥箱 ，１ １ ＥＢＳ，北京 市光 明 ０ 疗 仪 器厂 ；水 浴 锅 ，ＤＺＫＷ ４，北 京 中兴伟业仪器有限公司 ；马弗炉 ，５ ｍｉ ０ 、 １０ ０ ｍＬ、２ ０ 、５ ０ ０ ｍｌ ０ ｍｌ 烧 杯 若 １ 。 二 １３实 验 方『 ． 去 根据溶胶 ～凝胶法 的基本原理，采用 单一 变量法分 别控制反应物浓度 、反应物 的量 及滴加速 度等冈素来 进行试验 。 具体实验 ：按 ・ 定比例取钛酸四 丁酯 和无水乙醇 ，形成原液。在 ０ ℃冰 水 浴 的 条件下 ，用 电动搅拌机 充分搅拌原液 。另 取 一 定 配 比 的 无水 乙醇 、 蒸 筒水 和 盐 酸 配
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第33卷第3期硅酸盐学报Vol.33,No.3 2005年3月J OURNAL OF T H E CHIN ESE CERAMIC SOCIET Y March,2005溶胶凝胶法制备TiO2/活性炭复合体的影响因素李佑稷1,2,李效东2,李君文3,尹 静3(1.吉首大学化学化工学院,湖南吉首 416000;2.国防科技大学CFC国防科技重点实验室,长沙 410073;3.军事医学科学院卫生学环境医学研究所,天津 300050)摘 要:采用溶胶凝胶法制备纳米TiO2/活性炭(active carbon,AC)复合体。
以无水乙醇为溶剂,蒸馏水、浓盐酸及钛酸丁酯的用量为实验参数,考察其对TiO2溶胶粘度的影响。
研究了TiO2溶胶粘度、钛酸丁酯与活性炭的质量比、溶胶中TiO2的量及热处理温度对TiO2/AC复合体光催化活性的影响。
用热重差热分析、扫描电镜、X射线衍射及BET(Brunauer Emmett Teller)法对其结构及陶瓷化过程进行了分析。
结果表明:TiO2溶胶粘度为5mPa・s、溶胶中TiO2的质量分数为6%、钛酸丁酯与活性炭质量比为0.2时,经500℃热处理所得的TiO2/AC 复合体的光催化活性最好,其比表面积为526.03m2/g,晶型中锐钛矿的含量占65.38%,晶粒尺寸为37.53nm。
关键词:溶胶凝胶;二氧化钛/活性炭;复合体;光催化剂中图分类号:TQ134 文献标识码:A 文章编号:04545648(2005)03034006INF L UENTIAL FACT ORS FOR PREPARATION OF TiO2/ACTIVE CARBONCOMPOSITES B Y SOL GE L METH ODL I Youj i1,2,L I X iaodong2,L I J unwen3,Yin J ing3(1.College of Chemistry and Chemosynthesis of Jishou University,Jishou 416000,Hunan;2.Key Laboratory of NewCeramic Fibers and Composites,National University of Defense Technology Changsha 410073;3.Institute of Hygiene and Environmental Medicine,Academy of Military Medical Science,Tianjin 300050,China)Abstract:TiO2/active carbon(AC)composite was prepared by the sol gel method using ethanol as the solvent.Effects of the mass f raction of water,muriatic acid and butyl titanate on the sol viscosity of TiO2were investigated.The effects of the sol vis2 cosity,mass ratio of butyl titanate to active carbon,TiO2content of the sol and heat2treatment temperature on the photoactivity of TiO2/AC composites were studied.The transformation process and microstructure of TiO2/AC composite were analyzed by thermogravimetric2differential thermal analysis,scanning electron microscopy,X2ray diffraction and Brunauer Emmett Tell2 er method.The results show that the TiO2/AC composites of the best photoactivity with a specific surface area of 526.03m2/g,an anatase content of65.38%and a grain size of37.53nm can be obtained,when sol viscosity,ratio of Ti(OBu)4to AC,TiO2content in the sol and heat2treatment temperature is5mPa・s,0.2,6%and500℃,respectively.K ey w ords:sol gel;titania/active carbon;composite;photocatalyst 溶胶凝胶技术在制备复合材料中具有显著的优点:工艺简单,具有良好的成型性,与传统的热处收稿日期:20040928。
修改稿收到日期:20041115。
基金项目:中国军事医学科学院创新国防预研资助项目。
第一作者:李佑稷(1973～),男,博士研究生。
通讯作者:李效东(1951～),男,博士,教授。
理方法相比,其烧成温度低400～500℃,所得产品的纯度高、均匀性好[1～4]。
TiO2是迄今为止应用最R eceived d ate:20040928.Approved d ate:20041115.First author:L I Y ouji(1973—),male,postgraduate student for doc2 tor degree.E m ail:bcclyj@Correspondent author:L I Xiaodong(1951—),male,doctor,professor.E m ail:xdli0153@为广泛的理想的光催化剂[5,6],具有高活性、高化学稳定性和无二次污染性,可用于液相中有机污染物的处理[7]。
TiO2存在着易凝聚,尤其对太阳光的吸收率不高的缺点,并且颗粒细小的TiO2给水处理中TiO2纳米粉的回收带来较大困难。
有机污染物一般浓度低,在TiO2光催化剂表面的吸附性差,实际应用中存在光催化降解速度慢、效率低,需要较长时间才能达到完全降解等缺点。
采用具有大比表面积、多孔的惰性吸附剂[沸石、SiO2、Al2O3、活性炭(ac2 tive carbon,AC)等]作为载体[8,9],通过吸附和表面富聚,可为TiO2提供高浓度有机污染物的光催化反应环境,加快污染物光催化降解反应的速率。
同时,通过扩散作用使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面迁移,TiO2分解吸附在载体上的有机污染物,使载体实现了原位再生。
这种催化剂与载体的相互作用模型可增强TiO2的光催化活性。
材料的制备工艺对材料的性能至关重要。
涂抹法、固定法的缺陷是TiO2与载体结合差、容易脱落[10]。
采用在溶胶中加入活性炭,通过热处理的方法,增强TiO2与载体间的结合力,而又不影响TiO2的光催化活性,这种方法是解决TiO2复合体光催化剂载体与TiO2结合不牢固的有效途径。
通过控制溶胶的粘度、组分及其与活性炭的配比,使TiO2纳米粒子不发生二维粘结,不堵塞活性炭载体的微孔,从而使TiO2/AC复合体具有大的比表面积,并避免在应用中AC载体的损坏对其光催化活性的影响。
实验以钛酸丁酯为原料,乙醇为溶剂,通过盐酸抑止水解的溶胶凝胶技术制备了TiO2/AC复合体,研究了TiO2溶胶粘度、钛酸丁酯与AC质量比、溶胶中TiO2的质量分数及热处理温度对TiO2/AC复合体光催化活性的影响,并对其陶瓷化过程的变化规律进行分析,以便制备具有强的光催化活性的TiO2/AC复合体。
1 实 验1.1 TiO2/AC复合体的制备实验所用的反应原料为分析纯Ti(OBu)4、无水乙醇、浓盐酸。
化学纯的椰子壳AC,B ET(Brunauer Emmett Teller)法测量的比表面积为442.1m2/g;蒸馏水。
将一定量的钛酸丁酯加入到乙醇中,在三口瓶中用GS122型电子恒速搅拌器搅匀。
取一定量的乙醇,加入蒸馏水和浓盐酸,均匀混合后通过分液漏斗缓慢滴入三口瓶中。
水解、缩合反应均在20℃不断搅拌中进行。
滴加完毕后,用乌式粘度计、旋转式粘度计检测溶胶的粘度。
按所需比例加入适量经蒸馏水清洗烘干后的AC,在超声波中震荡1h后, 40℃干燥12h,然后在空气中250℃热处理2h,再在400～600℃氮气保护下热处理2h。
获得TiO2纳米粉体的复合体。
1.2 样品表征用日本RigakuD/max3C型X射线衍射测定仪(Cu Kα,λ=0.14506nm,40kV)进行XRD(X2ray diff raction)分析。
用Scherrer公式求晶粒的粒径D=Kλ/βco sθ其中:K为0.89;β为峰的半高宽;λ为X射线波长;θ为半衍射角。
用Quantitative公式(χA=1/(1+1.26I R/I A)计算锐钛矿在不同条件下的含量,其中:I A为锐钛矿相最强衍射线(面指数101)的强度;I R 是金红石相最强衍射线(面指数110)的强度。
用美国PER KIN ELMER1700型差热热重分析仪进行TG DT A(thermogravimetric differential thermal analy2 sis)分析。
用J EOL公司的J EM200CX型分析电镜进行比表面积B ET(Brunaner Emmett Teller)分析。
用日本J EM100SX型扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)进行形貌分析。
1.3 TiO2/AC的光催化性能罗丹明(Rhodamine)B为碱性的染料,是评价TiO2/AC的光催化性能的常见生物染色剂,标准的有机污染物。
自制的光催化反应器如图1所示。
反应器由耐热玻璃构成,高为28cm,外心园<为2.3cm,内心园<为1.2cm,体积为280ml。
用40W 的紫外灯作为光源,垂直插入光催化反应器中,波长范围在320～400nm,平均辐射强度为135mW/图1 光催化反应示意图Fig.1 Schematic diagram for photocatalytic reaction cm2。
反应过程中,通入空气进行搅拌,空气流量为・143・ 第33卷第3期 李佑稷等:溶胶凝胶法制备TiO2/活性炭复合体的影响因素56ml/s 。