金属氧化物无机材料的合成模板

1金属氧化物无机材料的合成、表征和性能研究作者：同作者：指导教师：专业班级：东北大学理学院时间：2摘要：纳米二氧化钛作为一种新型的无机材料，具有无毒、化学性能稳定、高氧化性以及良好的光电转化和光催化性能。在催化治理环境问题、太阳能敏化电池等方面应用广泛,使其成为目前研究最为广泛和深入的半导体材料之一。本实验选择低温水热合成方法制备不同形貌的纳米TiO2，由TG-DTA图像探究出其热化学性质并确定不同晶型纳米二氧化钛的烧结温度,通过烧结制得无定型,锐钛矿,金红石三种TiO2晶型并研究所制得的晶体的热化学性质、对水中Cu2+的吸附活性、对甲基橙的吸附、对甲基橙的光催化降解等效应，并比较不同晶型纳米TiO2对甲基橙吸附活性。关键词:低温水热法纳米二氧化钛光催化Cu2+吸附3目录第一章前言.................................................................................................................................51.1研究背景......................................................................................................................51.2TiO2的性质.................................................................................................................51.3纳米TiO2吸附性能概述............................................................................................61.4纳米TiO2的合成方法................................................................................................61.5TiO2的光催化应用.....................................................................................................7第二章实验部分...........................................................................................................................82.1引言................................................................................................................................82.2实验部分........................................................................................................................92.2.1实验目的.................................................................................................................92.2.1仪器与试剂..............................................................................................................9实验一：TiO2纳米材料的合成...................................................................................9实验二：TiO2纳米材料的热化学性质研究及合成TiO2纳米晶体.............................9实验三：纳米TiO2（金红石）对水中Cu2+的吸附活性研究.....................................9实验四：TiO2纳米晶体（锐钛矿）对甲基橙的吸附.................................................9实验五：TiO2纳米晶体对甲基橙的光催化降解.........................................................9实验六：自主设计实验：TiO2纳米晶体（金红石）对甲基橙的吸附...................102.2.2实验步骤................................................................................................................10实验一：TiO2纳米材料的合成..................................................................................10实验二：TiO2纳米材料的热化学性质研究及合成TiO2纳米晶体...........................10实验三：纳米TiO2对水中Cu2+的吸附活性研究......................................................10实验四：TiO2纳米晶体（锐钛矿）对甲基橙的吸附...............................................11实验五：TiO2纳米晶体对甲基橙的光催化降解.......................................................11实验六：自主设计实验：TiO2纳米晶体（金红石）对甲基橙的吸附...................12第三章结果与讨论.....................................................................................................................123.1实验一：TiO2纳米材料的合成................................................................................123.2实验二：TiO2纳米材料的热化学性质研究及合成TiO2纳米晶体......................143.3实验三：纳米TiO2对水中Cu2+的吸附活性研究....................................................153.4实验四、六：不同晶型TiO2纳米晶体对甲基橙的吸附（锐钛矿与金红石对比）.............................................................................................................................................163.5实验五：TiO2纳米晶体对甲基橙的光催化降解....................................................194第四章实验结论...........................................................................................................................21第五章心得与建议.......................................................................................................................22第六章参考文献...........................................................................................................................235第一章前言1.1研究背景伴随科学技术发展和现代文明不断进步，大量生活污水及工业用水被排放到环境中，造成了水污染严重现象，污水处理已成为科研工作者重要和急待解决的研究课题。目前，在众多污水处理方法中，半导体光催化为理想的污水处理技术。半导体光催化处理污水具有以下优点：（1）较快的降解速率，大约只需几十分钟或是几小时就可以将有机物完全降解；（2）无选择性降解，即便是芳香类、氯代有机物等难降解物质，也可以通过半导体光催化技术对其实现降解；（3）能耗少，反应条件温和，暴露在紫外光或者是太阳光下就能进行催化反应；（4）矿化彻底，无二次污染，二氧化碳和水是最终降解产物。纳米TiO2作为半导体催化材料，本身存在着较大的应用潜力，除了具备上述优点外，还具有无毒、化学性能稳定、光催化活性高等特点。1972年，日本的Fujishima和Honda两位科学家，在光电池中辐射二氧化钛分解水来制备氢，标志着多相光催化研究的开始。此后1976年，J.H.Cary发现在近紫外光照射下，二氧化钛悬浊液能够分解氰化物，从而为光催化技术处理污水开辟了广阔的应用前景。正是由于环境治理的紧迫性和光催化技术的优越性，在不断加大研究力度的基础上，促进了光催化技术迅速发展。1.2TiO2的性质二氧化钛的化学性质极为稳定，常温下几乎不与其它元素的化合物作用，对O2、NH3、N2、H2S、SO2、CO2都不起作用，不溶于水、稀酸、脂肪酸、有机酸和弱无机酸，仅微溶于氢氟酸，在长时间高温煮沸下溶于浓H2SO4，微溶于碱和热硝酸。而传统的白色颜料如氧化锌、铅白、硫化锌就不具备这种性质。二氧化钛具有热稳定性，在真空下强热时会有轻微的失氧现象，生成相当于TiO1.97化学组成的物质，并显暗蓝的，此反应是可逆的。二氧化钛与酸的作用是很弱的，能溶于氢氟酸和热的浓硫酸。TiO2+6HF=H2TiF6+2H2OTiO2+2H2SO4==Ti(SO4)2+2H2OTiO2+H2SO4=TiOSO4+H2O二氧化钛能溶于碱，与强碱或碱金属碳酸盐熔融，转化为可溶于酸的钛酸盐。TiO2+4NaOH=Na4TiO4+2H2O高温下二氧化钛与二硫化碳作用TiO2+CS2=TiS2+CO2悬浮在某些有机介质中的二氧化钛，在光和空气的作用下可循环地被还原与6氧化而导致介质的被氧化，这是一种光化学活性，在紫外线照射下，锐钛矿二氧化钛尤为明显，这一性质使二氧化钛成为某些反应的有效催化剂，它既是某些无机化合物的光致氧化催化剂，又是某些有机化合物的光致还原催化剂降。1.3纳米TiO2吸附性能概述纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的轻基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米子具有大的比表面积也是纳米粒子吸附作用的重要原因。准确表达被吸附离子和界面分子相互作用的探测方法和理论目前仍在研究中。以纳米TiO2的吸附机理来说，目前认为它属于电解质吸附，其吸附能由库仑力来决定。而且，随着它在水溶液中的pH值不同可带正电、负电或呈电中性。当pH值小于等