多孔微球二氧化鈦課件

多孔球形二氧化鈦的制備

及光催化性能第10組：徐銳陳嘉棟何自娟邵楨威引言隨著全球環(huán)境的日益惡化，人們對半導體光催化應用方面的研究正與日俱增。目前廣泛研究的半導體光催化劑大多數(shù)都屬于寬禁帶的n型半導體化合物。二氧化鈦光催化材料由于具有光催化活性高(吸收紫外光性能強;禁帶和導帶之間的能隙大，光生電子和空穴的還原和氧化性強)、化學性質(zhì)穩(wěn)定(耐酸堿和光化學腐蝕)、對生物無毒、在可見光區(qū)吸收、可制成白色塊體或透明薄膜、來源豐富等優(yōu)點，因此成為當前應用最廣泛并且極具潛力的一種光催化劑。2022/12/17

光催化是納米TiO2的突出性能之一。同塊體材料相比，納米半導體材料的光催化活性高，原因在于納米半導體粒子具有的量子尺寸效應（量子尺寸效應--是指當粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規(guī)材料有顯著的不同。）使其導帶和價帶能級分立，能隙變寬，導帶電位更負，而價帶電位更正，這意味著納米半導體，粒子具有更強的氧化和還原能力。納米半導體粒子的粒徑小，光生載流子更容易通過擴散從粒子內(nèi)遷移到表面，促進氧化和還原反應，所以合成尺寸、形貌可控的納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦也成為改善其光催化性能的重要舉措。2022/12/17多孔材料根據(jù)其孔徑大小可以分為三類:小于2nm的為微孔材料2-50nm的為介孔材料，大于50nm的為大孔材料.

多孔TiO2有序多孔TiO2是一種重要的光催化劑，在紫外光或太陽光照射下，表面能產(chǎn)生光生電子和正電空穴。正電空穴能與催化劑表面的輕基作用產(chǎn)生氫氧自由基。該自由基具有強氧化性，可將幾乎所有的有機物氧化分解為無機物。2022/12/17此處添加公司信息應用2022/12/17制備方法2022/12/17實驗

最近有許多方法可以制備多空或者空心的TiO2微球。然而這些方法都需要相當?shù)膹碗s工序和昂貴的花費。在此文中，我們提出一個簡單可重復的方法合成多孔TiO2微球，名稱叫做溶膠—凝膠加入電解質(zhì)法。樣品表現(xiàn)出高度的光催化性能并且可以容易的從溶液中移出來。2022/12/17溶膠－凝膠法就是用含高化學活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。2022/12/17光催化性能測定通過光降解亞甲基藍燃料溶液，對TiO2的光催化性能做評價。含有微球（0.01克）的亞甲基藍溶液（6mg/ml，20ml）在紫外燈照射（主發(fā)射波長λ=365nm，6W）下磁力攪拌，燈和溶液之間的距離保持在14cm不變。使用分光光度計對降解過程中亞甲基藍濃度隨時間的變化進行監(jiān)測。以一般的TiO2粉末作為參考，比較TiO2微球的光催化活性。用透射電子顯微鏡（TEM；日立H-600）和X-射線粉末衍射（XRD；RigakuD/Max-RBIIIC）對TiO2微球的形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)進行研究。結(jié)晶性能還可以采用熱重差熱分析來監(jiān)測（TG-DTA;島津DTG-60H）。比表面積（SSA），微球的孔容積和平均孔徑是由表面積和孔徑分析儀（NOVA4000e）決定的。TiO2微球的形態(tài)和大小圖1顯示了沒有焙燒的TiO2粒子（a）和500℃焙燒2小時（b）的TEM照片，并沒有觀察到粒子焙燒前后有明顯的差異。顆粒是平均直徑為550nm的球形微粒。這表明焙燒時，粒子從非晶相轉(zhuǎn)化到銳鈦礦相（圖2）時，并沒有破壞微球的框架。2022/12/17差熱—差重分析

從差熱圖上可清晰地看到差熱峰的數(shù)目、高度、位置、對稱性以及峰面積。峰的個數(shù)表示物質(zhì)發(fā)生物理化學變化的次數(shù)，峰的大小和方向代表熱效應的大小和正負，峰的位置表示物質(zhì)發(fā)生變化的轉(zhuǎn)化溫度。上圖顯示了TiO2微球的TG-DTA曲線（未焙燒）。2022/12/17DTA曲線顯示了由于水和有機溶劑的脫附，大約100℃的地方有一個廣闊的吸熱峰。在400℃時，出現(xiàn)了一個放熱峰，是由于有機物質(zhì)的分解，再結(jié)晶然后形成銳鈦礦相。TiO2從銳鈦礦相像金紅石相的過渡發(fā)生在600到1000℃。在600到750℃之間沒有觀察到DTA峰，表明銳鈦礦相的TiO2微球在高溫下很穩(wěn)定。TG曲線可以分為兩個階段。第一階段是從室溫到200℃，超過最大質(zhì)量損失（35%）可以被觀察到。造成這種損失的原因是TiO2微球內(nèi)的乙醇的脫水和蒸發(fā)。第二階段是200到400℃，質(zhì)量損失約為1%。這可能是由于TiO2微球內(nèi)的有機殘留物的燃燒和炭化。經(jīng)過燒結(jié)過程之后，除了少數(shù)球形顆粒部分被損壞，大部分兩種粒徑分布的球形顆粒均被完好的保存下來。

此外，相應的XRD衍射圖說明通過燒結(jié)的二氧化欽微球為銳欽礦相。這進一步說明了大小不同兩種粒徑的球形顆粒均主要由二氧化欽組成，而不是由其他有機物質(zhì)組成。

2022/12/17N2吸附數(shù)據(jù)焙燒TiO2微球的比表面積大約為67m2/g，接近于TiO2納米粉體的比表面積（65-94m2/g）。一般TiO2粉末的比表面積僅有24m2/g。上圖表明，TiO2微球有一個平均孔徑為4.4nm的統(tǒng)一孔徑分布。測量孔體積為0.08cm3/g。描述了TiO2微球的孔隙是相互關(guān)聯(lián)的并且對外部環(huán)境是開放的。2022/12/17光催化性能TiO2微球(a)相對于一般TiO2粉末在光降解甲基藍方面表現(xiàn)出了更高的效率(圖5)。反應2小時后，TiO2微球的降解率接近于100%，而一般TiO2粉末(b)的降解率僅為77%。被改進的催化性能可以解釋為較大的比表面積和豐富的微球互聯(lián)孔隙，被認為是增加了增加了催化劑表面的局部反應濃度。光降解反應也表明，TiO2微球可以很容易的從反應后的處理溶液中被移除出來。2022/12/17二氧化鈦球形顆粒材料在應用中存在的不足(l)通過半導體復合、金屬離子摻雜等與粉體TiO2改性相同的手段，進一步提高納米晶粒TiO2多孔微球光催化劑的光催化活性，擴寬其光譜范圍。(2)目前為止所報道的納米晶粒TiO2多孔微球的制備方法各有優(yōu)缺點，因此，須通過優(yōu)化工藝條件或開發(fā)新型制備方法來完善其制備技術(shù)。(3)納米晶粒TiO2多孔微球的研究還停留在實驗室理論研究階段，對其應用研究是今后的探索方向。(4)用有機物作模板制備空心球時，一般都需要經(jīng)過鍛燒或溶劑溶解等工藝去除模板后才能得到空心球，而經(jīng)此處理后殼材料的形貌和性能都會受很大影響，通常得到的不是致密的而是疏松多孔的殼層結(jié)構(gòu)。2022/12/17此處添加公司信息參考文獻[1]O.Legrini,E.Oliveros,A.M.Braun,J.Chem.Rev.93(1993)671.[2]A.Mills,R.H.Davies,D.Worsley,J.Chem.Soc.Rev.22(1993)417.[3]M.R.Hoffmann,S.T.Martin,W.Choi,D.W.Bahnemann,J.Chem.Rev.95(1995)69.[4]X.Z.Li,H.Liu,L.F.Cheng,H.Tong,J.Environ.Sci.Technol.37(2003)3989.[5]M.E.Fabiyi,R.L.Skelton,J.Photochem.Photobiol.A:Chem.132(1/2)(2000)121.[6]R.W.Mattews,S.R.Mcevoy,SolarEnergy49(1992)507.[7]J.Matos,J.Laine,J.M.Herrmann,Appl.Catal.B:Environ.18(3/4)(1998)281.[8]D.Beydoun,R.Amal,J.Scott,G.Low,Chem.Eng.Technol.24(2001)745.[9]A.Imhof,Langmuir17(2001)3579.[10]D.G.Shchukin,R.A.Caruso,J.Chem.Mater.16(2004)2287.[11]M.C.Andrew,C.Spickermann,S.Mann,J.Mater.Chem.13(2003)1112.[12]S.Eiden-Assmann,J.Widoniak,G.Maret,J.Chem.Mater.16(2004)6.[13]B.L.Zhang,B.S.Chen,K.Y.Shi,S.J.He,X.D.Liu,Z.J.Du,etal.Appl.Catal.B:Environ.40(4)(2003)253.[14]