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液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究 班级：应用化学1001班 学号：1505100203 姓名：刘艳珍 指导老师：曾冬铭 液相水解法制备纳米TiO2及其光催化性能的研究 （刘艳珍，中南大学 ，湖南 长沙，410083） 摘要：本文以TiCl4作为主要原料，分别采用液相水解法制备了纳米TiO2粉体、掺杂ZnO纳米TiO2粉体和水热法制备了纳米TiO2粉体，并研究了纳米TiO2对对硝基苯胺和甲基橙的光降解能力。 关键词：纳米TiO2 ；液相水解； 光催化； 前言 纳米TiO2 是一种新型的光催化剂，有较好的光催化活性，一般为白色或透明状的颗粒，有3 种晶型，即金红石、锐钛矿和板钛矿结构，其中金红石和锐钛矿属于四方晶系。纳米TiO2 具有化学性能稳定，常温下几乎不与其它化合物反应，且具有生物惰性。同时其价格便宜、来源广因为广泛用于环境污染治理、有机农药降解等领域。在这方面有着诸多的实验研究。[1,4,5] 纳米TiO2 是一种典型半导体材料，禁带宽度较宽，其中锐钛矿为3.2ev，金红石为3.0ev，当它吸收了波长小于或者等于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荷的空穴h+，吸附在TiO2表面的氧俘获电子形成，而空穴则将吸附在TiO2 表面OH-和H2O氧化成·OH 。反应生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性，能分解有毒的无机化合物、降解大多数有机物。特别是原子氧能与多数有机物反应（氧化反应），同时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。实验证明，纳米TiO2能处理80多种有毒化合物及细菌，包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、防腐剂、油污以及对人体有害的细菌等。其作用机理可以用以下反应式说明: R - C2 H5 + 2 ·OH →R - C2H4 OH + H2O (1) R - C2 H4 OH + O2 →R - C2 H3 O + H2O (2) R - C2 H3 O + O2 →R - CH 2COOH + H2O (3) R - CH 2COOH →R - CH 3 + CO2 .. (4) 每降解一个碳原子, 生成一个CO2 , 重复往复直到脂肪族有机物完全转化为CO2为止。 光降解有机物的示意图1所示： 图1 TiO2对有机物的光氧化原理 纳米TiO2 的制备方法很多，有化学沉淀法、热分解法、高温固相反应法、溶胶－凝胶法、气相沉积法、水热法等。本实验采用液相水解法制备纳米TiO2 粉体，并对其进行结构、性能表征。以对硝基苯胺的光催化降解为模型反应, 考察所制备的TiO2纳米晶的光催化活性。 1 实验 仪器与试剂 a.主要仪器：高压汞灯，电磁搅拌器，鼓风式恒温干燥箱（0-300℃），马弗炉，电子天平\玻璃管、烧杯等实验室常用的仪器。 b.主要试剂：四氯化钛，乙醇，对硝基苯胺（以上试剂均为分析纯），氨水，蒸馏水等。 1.2 纳米TiO2的制备 本实验采用液相水解法制备TiO2粉体，共分为两种途径，具体如下： 1.2.1取8ml TiCl4与100ml蒸馏水反应，反应完成后，用1M氨水调pH值到6.0，得到白色TiO2胶体。对胶体减压过滤，用去离子水洗涤滤饼，脱去其中的Cl-（至用AgNO3 检测不出），分别移入500℃马弗炉中进行热处理2小时，得到TiO2颗粒。 1.2.2取4ml TiCl4与50ml蒸馏水反应，反应完成后用10M KOH调pH值到≤2。得乳白色胶状物。将溶液移入放入衬有聚四氟乙烯的高压反应器中，在180℃下水热反应2h, 反应完后离心, 滤饼分别用蒸馏水和乙醇洗涤后在80～100℃下干燥得产物。 将产物移入500 ℃马弗炉中进行热处理4小时，得到不同晶相的TiO2颗粒。 1.2.3 掺杂TiO2粉体的制备 在TiO2 粉体中掺入摩尔比为5%的ZnO, 具体合成方法按方法一进行，即TiCl4与适量的ZnSO4溶液反应，后续步骤相同。 1.3 TiO2催化性能测试 1.3.1 称取0.2g 催化剂于150ml 的对硝基苯胺水溶液（50mg/L）混合，搅拌20min 后将反应液移入紫外反应箱中，然后打开紫外灯照射；在催化反应一定时间间隔（20min,40min,60min,80 min,100 min,120 min）内取样，样品在分析前离心分离10min, 上层滤液用0.2um