1、精選優質文檔-傾情為你奉上實驗32 納米二氧化鈦光催化劑的合成及其催化性能一、實驗目的1了解納米光催化技術的基礎知識和發展趨勢。2掌握溶膠-凝膠法制備納米粒子的原理，用溶膠-凝膠法制備納米TiO2微粉。3了解納米粒子常用的表征手段。4掌握納米材料的合成方法并對其了解應用前景。二、實驗原理自70年代初發現二氧化鈦電極具有光照下分解水的功能以來，有關二氧化鈦半導體光催化劑的研究成為環境領域的一個熱點。用半導體光催化分解毒性有機物有兩個優點：第一，適當選擇催化劑，可以利用太陽能處理毒物，節約能源；第二，一些半導體的光生空穴具有很強的氧化能力，能徹底降解絕大多數有機物質，而且能將它們最后分解為二氧化碳

2、、水和無機物，避免了用化學方法處理帶來的二次污染。制備納米粒子的方法很多，如化學沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、反相膠團法、氣相法等。溶膠凝膠法(SolGel法)是指無機物或金屬醇鹽經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而成的氧化物或其它化合物固體的方法。溶膠是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停的進行布朗運動的體系。根據粒子與溶劑間相互作用的強弱，通常將溶膠分為親液型和憎液型兩類。由于界面原子的Gibbs自由能比內部原子高，溶膠是熱力學不穩定體系。凝膠是指膠體顆粒或高聚物分子互相交聯，形成空間網狀結構，在網狀結構的孔隙中充滿了液體(在干凝膠中的分散介質也可以是氣體)的分散體系。

3、并非所有的溶膠都能轉變為凝膠，凝膠能否形成的關鍵在于膠粒間的相互作用力是否足夠強，以致克服膠粒溶劑間的相互作用力。對于熱力學不穩定的溶膠，增加體系中粒子間結合所須克服的能壘可使之在動力學上穩定。因此，膠粒間相互靠近或吸附聚合時，可降低體系的能量，并趨于穩定，進而形成凝膠。該方法的優點是：(1)反應溫度低，反應過程易于控制；(2)制品的均勻度和純度高、均勻性可達分子或原子水平；(3)化學計量準確，易于改性，摻雜的范圍寬(包括摻雜的量和種類)；(4)從同一種原料出發，改變工藝過程即可獲得不同的產品如粉料、薄膜、纖維等；(5)工藝簡單，不需要昂貴的設備。但目前該項技術還處于發展完善階段，如采用的金屬

4、醇鹽成本較高以及如何選擇催化劑、溶液的pH值、水解、聚合溫度以及防止凝膠在干燥過程中的開裂等。隨著科學工作者的不斷努力，對溶膠凝膠機理的進一步認識，其方法在制備新材料領域會得到更加廣泛的應用。鈦酸四丁酯的水解反應為分步水解，方程式為：Ti(OR)n+H2O Ti(OH)(OR)n-1+ROHTi(OH)(OR)n-1+H2O Ti(OH)2(OR)n-2+ROH反應持續進行,直到生成Ti(OH)n.縮聚反應：TiOH+HOTi TiOTi+H2OTiOR+HOTi TiOTi+ROH最后獲得氧化物的結構和形態依賴于水解與縮聚反應的相對反應程度，當金屬-氧橋-聚合物達到一定宏觀尺寸時，形成網狀結

5、構從而溶膠失去流動性，即凝膠形成。納米材料的表征方法包括：（1）粒度分析：激光粒度分析法、電鏡法粒度分析法等；（2）形貌分析：掃描電鏡、透射電鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡等；（3）成分分析：包括體材料分析方法和表面與微區成分分析方法，體相材料分析方法有原子吸收光譜法，電感耦合等離子體發射法，X射線熒光光譜分析法。表面與微區成分分析方法包括電子能譜分析法、電子探針分析方法、電鏡-能譜分析方法和二次離子質譜分析方法等）；（4）結構分析：X射線衍射，電子衍射等；（5）界面與表面分析：X射線光電子能譜分析，俄歇電子能譜儀等。三、儀器與試劑儀器：電磁攪拌器，離心機，恒溫干燥廂，高溫爐，光化學反應器（

6、南京長寧無線電廠）；高速離心機（15000轉/min），紫外可見分光光度計；X射線衍射儀；透射電子顯微鏡。試劑：鈦酸丁酯，無水乙醇，冰醋酸，甲基橙（各試劑均用A.R或C.P級產品）。四、實驗步驟1納米TiO2的制備室溫下將10mL鈦酸四丁酯緩慢倒入50mL無水乙醇，放置幾分鐘，得到均勻透明的溶液（1），將10mL冰醋酸加入到10mL蒸餾水與40mL無水乙醇中，劇烈攪拌，得到溶液（2）。再于劇烈攪拌下將已移入分液漏斗中的溶液（1）緩慢滴加到溶液（2）中，約25min滴完，得到均勻透明的溶膠，繼續攪拌15min后，在室溫下靜置，待形成透明凝膠后，65下真空干燥，瑪瑙碾磨，得到干凝膠粉末，再在500

7、下于高溫爐中煅燒2h便得到TiO2納米粉體。改變溶液（2）的用量，探索凝膠形成條件。 改變實驗條件，探索凝膠形成條件、煅燒溫度和煅燒時間對納料粒子大小的影響。 2納米TiO2 的表征以透射電子顯微鏡觀測產物的粒度，以X射線衍射儀測定產物結構。3光催化實驗將初始濃度為20 mg·L-1的甲基橙250mL溶液置于光化學反應儀中，加入一定量的納米TiO2 光催化劑，分散均勻，打開紫外燈光源，并同時記下反應時間。每隔一定的時間取樣高速離心分離后測定甲基橙溶液的吸光度變化，并與不加光催化劑的情況進行比較，并評價納米TiO2 的催化性能。 五、思考題1溶膠-凝膠法制備納米氧化物過程中，哪些因素影

8、響產物的粒子大小及其分布？2表面化學角度考慮，如何減少納米粒子在干燥過程中的團聚？3納米粒子常用的表征手段有哪些？參考文獻1 高濂，鄭珊，張青紅 著. 納米氧化鈦光催化劑及應用. 北京：化學工業出版社，20021 K. TERABE,K. KATO,H. MIYAZAKI,S. YAMAGUCHI, A. IMAI wY. IGUCHI. Microstructure and crystallization behaviour of Ti02 precursor prepared by the sol-gel method using metal alkoxide，JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE 29 (1994) 1617-16222YUTAKA HAGA,HEISHOKU Ant, RYUTOKU YOSOMIY Au. Photoconductive properties of TiO2 films prepared by the solgel method and its application, Journal of materials science 32 (1997) 3183-31883郭文華, 張軍劍等. 溶膠-凝膠法及其制備納米TiO2粉體的原理和研究進展J. 中國陶瓷