纳米二氧化钛的制备

纳米二氧化钛的制备及其纳米二氧化钛的制备及其 光催化活性的评价光催化活性的评价 实验报告实验报告 班级 班级 组别 组别 指导老师 指导老师 小组成员 小组成员 实验目的 实验目的 1 培养小组自主设计及完成实验的能力和合作能力 2 了解纳米二氧化钛的粒性和物性 3 掌握溶胶 凝胶法合成 TiO2 的方法 4 研究二氧化钛光催化降解甲基橙和亚甲基蓝水溶液的过程和性质 5 通过实验 进一步加深对基础理论的理解和掌握 做到有目的合成 提高 实验思维与实验技能 一 溶胶凝胶法制备二氧化钛一 溶胶凝胶法制备二氧化钛 1 实验原理 实验原理 纳米粉体是指颗粒粒径介于 1 100 nm 之间的粒子 由于颗 粒尺寸的微细化 使得纳米粉体在保持原物质化学性质的同时 与块状 材料相比 在磁性 光吸收 热阻 化学活性 催化和熔点等方面表现 出奇异的性能 纳米 TiO2具有许多独特的性质 比表面积大 表面张力大 熔点 低 磁性强 光吸收性能好 特别是吸收紫外线的能力强 表面活性大 热导性能好 分散性好等 基于上述特点 纳米 TiO2具有广阔的应用 前景 利用纳米 TiO2作光催化剂 可处理有机废水 其活性比普通 TiO2 约 10 m 高得多 利用其透明性和散射紫外线的能力 可作食品 包装材料 木器保护漆 人造纤维添加剂 化妆品防晒霜等 利用其光 电导性和光敏性 可开发一种 TiO2感光材料 如何开发 应用纳米 TiO2 已成为各国材料学领域的重要研究课题 目前合成纳米二氧化钛 粉体的方法主要有液相法和气相法 由于传统的方法不能或难以制备纳 米级二氧化钛 而溶胶 凝胶法则可以在低温下制备高纯度 粒径分布 均匀 化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂 1 3 因此 本实验采用溶胶 凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂 制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂 Ti O C4H9 4 水 无水乙醇 C2H5OH 以及冰醋酸 反应物为 Ti O C4H9 4和水 分相介质为 C2H5OH 冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速 使 Ti O C4H9 4 在 C2H5OH 中水解生成 Ti OH 4 脱水后即可获得 TiO2 在后续的热处 理过程中 只要控制适当的温度条件和反应时间 就可以获得金红石型 和锐钛型二氧化钛 钛酸四丁脂在酸性条件下 在乙醇介质中水解反应是分步进行的 总水 解反应表示为下式 水解产物为含钛离子溶胶 Ti O C4H9 4 4H2O Ti OH 44C4H9OH 一般认为 在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的 网状基团 上述溶胶体系静置一段时间后 由于发生胶凝作用 最后形成 稳定凝胶 Ti OH 4 Ti O C4H9 42TiO2 4C4H9OH Ti OH 4Ti OH 4 2TiO24H2O 2 仪器及试剂仪器及试剂 试剂 试剂 钛酸正四丁脂 无水乙醇 冰醋酸 盐酸 去离子水 仪器 仪器 电热炉 恒温水浴箱 50mL 量筒和 10 mL 量筒各一个 烧杯 100 mL 两个 玻璃棒 抽滤瓶 布氏漏斗 滤纸 PH 试纸 标准比色 卡 洗瓶 蒸发皿 3 实验步骤 实验步骤 室温下用完全干燥的量筒量取 10mL 钛酸丁酯 缓慢滴入到 35mL 无水乙醇中 并用磁力搅拌器强力搅拌 10min 混合均匀 形成黄 色澄清溶液 A 将 4 mL 冰醋酸和 10mL 蒸馏水加到另 35mL 无水乙醇中 剧烈搅拌 得到溶液 B 滴入 1 2 滴盐酸 调节 pH 值使 pH 3 室温水 浴下 在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液 A 缓慢滴入溶液 B 中 滴速大约 10 mL min 滴加完毕后得浅黄色溶液 继续搅拌半小时后 80 水浴加热 1h 后得到微黄色凝胶 转至布氏漏斗中抽滤 若形成的 胶体没有分层可不抽滤 将滤饼置于蒸发皿中在电热路上烘干 得到淡 黄色粉末 由老师放到马弗炉中焙烧 活化 4 实验现象 实验现象 溶液 A 溶液 A 与溶液 B 混合水浴加热一小时后得到的 淡黄色溶 胶 烘干过程中粉末炭化变黑 继续加热由黑色变成淡黄色 继续加热至不变 5 实验结果记录 实验结果记录 经老师焙烧活化后的二氧化钛质量为 m 2 21g 二 二氧化钛光催化活性的评价二 二氧化钛光催化活性的评价 1 实验原理 实验原理 根据 TiO2 能降解有机物的性质 TiO2 能催化降解亚甲 基蓝和甲基橙 其降解速度与二氧化钛活性有关 可以通过测量单 位时间内被降解有机物浓度降低量来确定二氧化钛的活性 而有机 物的浓度可以通过分光光度计测得 2 仪器和试剂 仪器和试剂 仪器 仪器 研钵 鼓泡机 紫外光灯 离心机 电子太平 分光光度计 试剂 试剂 甲基橙水溶液 公用 亚甲基蓝水溶液的 公用 已制备的二氧 化钛 3 实验步骤 实验步骤 1 分别取 80 毫升已配置好的亚甲基蓝溶液 吸光度是 A0 和 80 毫升甲基橙溶液 吸光度是 A 0 置于两个量杯中 2 将二氧化钛导入研钵中充分研磨 分别称取 0 11g 和 0 22g 加入到步骤一中 的量杯中 3 将鼓泡机的通气管用紫外光灯固定在量杯底部 将两个量杯在紫外灯照射 40 分钟 4 上述反应完毕后 将溶液静置 然后分别取上层溶液于两个离心管中 离心 后 分别测吸光度 A1 A2 3 根据公式 A0 A A0计算亚甲基蓝和甲基橙的分解率 4 实验注意事项 实验注意事项 1 钛酸正四丁酯在在空气中迅速吸潮而分解 对水有非常高的化学活性 水 解生成 Ti OH 4 所以取用时仪器必须是完全干燥的 2 由于钛酸丁酯具有吸潮性质 用过的吸管等仪器都要及时清洗 3 进行光催化分解时 要把通气管固定住 防止光解过程中因通气不畅导致 二氧化钛在底部沉积 5 实验数据记录与处理 实验数据记录与处理 二氧化钛质量 m1 0 11g m2 0 21g 光催化前 甲基橙溶液 A 0 633 亚甲基蓝溶液 A 0 933 紫外光催化 40 分钟后 甲基橙溶液 A 0 386 亚甲基蓝溶液 A 0 273 甲基橙的光降解率 W 0 633 0 386 0 633 100 39 0 亚甲基蓝的光降解率 W 0 933 0 273 0 933 100 70 7 6 6 实验现象 实验现象 二氧化钛光催化前的亚甲基蓝和甲基橙溶液 经二氧化钛光催化后的亚甲基蓝和甲基橙溶液 三 分析及结论三 分析及结论 制备纳米二氧化钛结论如下 1 水作为反应物之一 它的加入量主要影响钛醇盐的水解缩聚反应 是一个 关键的影响参数 而且为保证得到稳定的凝胶采用了分次加入的方式 2 冰醋酸作用是抑制钛酸丁酯的水解速度 3 乙醇可以溶解钛酸丁酯 并通过空间位阻效应阻碍氢链的生成 从而使水解 反应变慢 因此需要控制反应中乙醇的加入量 4 pH值是影响凝胶时间的有一个因素 通过实验取pH在2 3为宜 影响二氧化钛光催化活性的因素主要有 1 制备方法 通过与同一实验室其他小组的比较发现 用均匀沉淀法制备的 纳米二氧化钛的光催化效果普遍好于用溶胶凝胶法制备的 原因在于不同方法 制得的Ti02粉末的粒径不同 其光催化效果也不同 同时在制备过程中有无复 合 有无掺杂等对光降解也有影响 2 颗粒粒径的影响 催化剂粒径的大小直接影响光催化活性 当粒子的粒径越小时 单位质量 的粒子数越多 比表面积越大 对于一般的光催化反应 在反应物充足的条件 下 当催化剂表面的活性中心密度一定时 表面积越大吸附的OH 越多 生成更 多的高活性的 OH 从而提高了催化氧化效率 当粒子的大小在1 100nm级时 就会出现量子效应 成为量子化粒子 使得h e 对具有更强的氧化还原能力 催化活性将随尺寸量子化程度的提高而增加 另外 尺寸的量子化可以使半导 体获得更大的电荷迁移速率 使h 与e 复合的几率大大减小 因而提高催化活 性 3 对于不同的有机物二氧化钛作为光催化降解的效率不同 4 有机物的降解率与二氧化钛的用量有关 Ti02在光催化降解反应中 反应前后几乎没有消耗 Ti02的用量对整个降 解反应的速率是有影响的 研究表明有机物的降解率开始随Ti02用量的增加而 提高 当量增加到一定时降解速率不再提高 反而有所下降 四 思考题 四 思考题 1 将溶液A滴加到溶液B中时为什么要缓慢滴加 防止钛酸丁酯的水解速度过快 水解生成的聚合物来不及溶于乙醇而直接发生快 速缩聚反应 试验过程中会有大量的块状絮凝物生成 得不到稳定的透明溶胶 2 二氧化钛作为光催化降解有机物的的原理及为什么要用紫外灯照射 TiO2属于一种n型半导体材料 它的禁带宽度为3 2ev 锐钛矿 当它受到波 长小于或等于387 5nm的光 紫外光 照射时 价带的电子就会获得光子的能量而 越前至导带 形成光生电子 e 而价带中则相应地形成光生空穴 h 如图 1 1所示 如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池 则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同 的位置 TiO2表面的光生电子e 易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获 而空穴 h 则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH 和H2O分子氧化 成 OH自由基 OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的 能氧 化水中绝大部分的有机物及无机污染物 将其矿化为无机小分子 CO2和H