二氧化钛的制备分析

二氧化钛的制备分析摘要：以钛酸四丁酯（TNB）为主要原料，以尿素为氮源，采用水热合成法制备锐钛矿型纳米二氧化钛颗粒，利用FT-IR对纳米二氧化钛进行表征；以紫外光为光源，罗丹明B（RhB）为模型污染物考察纳米二氧化钛的光催化活性。结果表明加尿素后表面改性的二氧化钛催化活性远大于未加尿素的二氧化钛。关键词:钛酸四丁酯（TNB）；纳米二氧化钛；水热合成法；光催化活性1.引言二氧化钛作为一种重要的无机非金属材料，其在作为催化剂载体、光敏性催化剂、处理各种气固液水污染物、医药、制备各种精细陶瓷、气敏元件、改善材料性能等领域具有广泛的用途，纳米二氧化钛(Ti02)由于其具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸收性能好,吸收紫外线能力强,表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮液稳定等优点。因此倍受关注,制备和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热点之一。2.实验2.1实验试剂钛酸四丁酯（TNB）、尿素、十六烷基三甲基溴化铵、罗丹明B（RhB）、无水乙醇、盐酸等均为分析纯，水为蒸馏水与超纯水。2.2纳米二氧化钛的制备量取五份60mL的无水乙醇放入烧杯A1、A2、A3、A4、A5、A6，分别（1）向A1中加入0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.5g尿素；（2）向A2中加入0.5g十六烷基三甲基溴化铵和1.5g尿素；（3）向A3中加入0.5g十六烷基三甲基溴化铵和2.5g尿素；（4）向A4中加入十六烷基三甲基溴化铵0.5g；（5）向A5中加入0.5g尿素；（6）向A6中加入1.0g尿素。搅拌溶解均匀后（磁力快速搅拌），并用盐酸调pH值为5-6，后向其中各加入3.5g（3g-4g）酞酸四丁酯（TNB），溶解均匀后，在快速搅拌条件下缓慢滴加10mL水（开始一定要慢，因为快的话会忽然粘稠，搅拌不动），室温下反应2h，后转入水热反应釜中（填充度为70%-80%），在110℃条件下反应24h，后取出，自然冷却，倒掉上清液，并用乙醇与水反复洗涤，离心（或者抽滤也可以），干燥得到制备的纳米二氧化钛。2.3光催化活性分析采用液相中罗丹明Ｂ的降解率来评价二氧化钛的光催化降解有机污染物的性能。配置浓度为20mg/L的罗丹明B（RhB）溶液300mL，测其在550nm波长下的紫外吸收，后将溶液倒入密闭黑暗的光催化装置中，磁力搅拌、吹气30min后测其在550nm波长下的紫外吸收；后加入60mg纳米二氧化钛，在磁力搅拌、吹气、紫外灯照射下反应，每1h取10mL溶液，将取出溶液离心分离，取离心后的上清液检测其在550nm波长下的紫外吸光度。光催化降解率的计算公式为：Y=[(A0-A)/A0]×100%=[(C0-C)/C0]×100%。其中C0为有机物的初始浓度，C为反应过程中某时刻有机物的浓度；A0为有机物浓度为C0时的吸光度，A为有机物浓度为C时的吸光度。2.4表征采用傅立叶变换红外光谱仪（Ｍａｇｎａ－５６０型）对二氧化钛进行表面参杂官能团的确认；采用紫外－可见分光光度计（ＴＵ－１８００型）分析纳米二氧化钛光催化降解ＲｈＢ的吸光度变化；3.结果与讨论3.1纳米二氧化钛的光催化活性二氧化钛的光催化活性主要取决于其结构和晶粒尺寸，锐钛矿型结构和纳米级的晶粒尺寸是使其具有较高催化活性的关键。将配置的ＲｈＢ溶液在密闭容器中，磁力搅拌、吹气３０ｍｉｎ，其紫外吸光度值与初始时几乎没有变化，图A、B为紫外光照射下纳米二氧化钛光催化活性变化曲线图，图A中（4）为未加尿素所得的二氧化钛产品，在3和4ｈ时几乎没有降解；（1）尿素与钛酸四丁酯的质量比=1:7、（2）尿素与钛酸四丁酯的质量比=3:7、（3）尿素与钛酸四丁酯的质量比=5:7在１００ｍｉｎ内，皆使ＲｈＢ降解迅速，且在3ｈ时，降解率分别为58.4％、67.5％、61.7%，4ｈ时降解率分别为87.3％、98.0％、88.4%；由降解效果来看，加入尿素制备的纳米二氧化钛的光催化效果明显优于不加尿素制备的纳米二氧化钛，且在4ｈ时几乎完全降解，光催化降解效果很好。样品（2）的降解效果最好。0501001502002500.00.51.01.52.02.5AbsT/min(4)(1)(3)(2)图B中的（1）数据同A中的（4）未加尿素所得的二氧化钛产品，在3和4ｈ时几乎没有降解；（2）为只加尿素，未加十六烷基三甲基溴化铵所得二氧化钛产品，具有一定的催化活性；（3）中既有尿素，又有十六烷基三甲基溴化铵，催化活性最高，通过这三组数据对比，可以发现所加尿素的量对制备的二氧化钛性能有较大的影响，而十六烷基三甲基溴化铵对制备的二氧化钛活性影响较小。综上，在制备纳米二氧化钛是，可加入少量十六烷基三甲基溴化铵，通过对尿素用量的不同配比，制得活性最优的纳米二氧化钛。图A光催化活性变化曲线图0501001502002500.00.51.01.52.02.5AbsT/min(1)(2)(3)3.2FT-IR下图为制备的纳米二氧化钛的红外谱图，由图分析可知，在3400cm-1处出现了很强的—ＯＨ伸缩振动吸收峰，在1631cm-1处为—ＯＨ的弯曲振动吸收峰，1400cm-1处为甲基和次甲基C—H弯曲振动，750～500cm-1是Ｔｉ—Ｏ键的特征吸收峰。4000350030002500200015001000500020406080100T/%Wavenumbers/cm-1236416311400(1)(2)图（1）中尿素与钛酸四丁酯的质量比=3:7，图（2）中尿素与钛酸四丁酯的质量比=5:7。据资料报道，纳米二氧化钛的催化活性与纳米粒子表面吸附及表面态（如表面羟基、氧空缺）等有密切关系，由ＦＴ－ＩＲ分析可知(1)与(2)表面皆存在表面羟基，然而从光催化活性的结果来看，(1)的活性强于(2)，可能是因为表面氧空缺与表面羟基的量有一定的匹配，羟基过多或过少，二氧化钛的光催化活性皆会降低导致。图B光催化活性变化曲线图4000350030002500200015001000500020406080100T/%Wavenumbers/cm-110492364(0)(2)(1)上图中（0）为未加尿素时所得的二氧化钛样品的红外光谱图，在2364cm-1铵盐的N—H伸缩振动，说明十六烷基三甲基溴化铵为有机质参加了纳米二氧化钛的合成反应，但其紫外光催化效果很差。图中（1）是尿素与钛酸四丁酯的质量比=1:7的红外光谱图，1049cm-1处为羟基的C—O伸缩振动吸收峰，紫外光催化效果较（0）好的多。图中（2）是尿素与钛酸四丁酯的质量比=3:7的红外光谱图，紫外光催化效果最好，根据资料报道以及上述实验数据显示，只有表面氧空缺与表面羟基的量达到一定的匹配时，二氧化钛的光催化活性会更显著，尿素的含量直接影响二氧化钛的活性，十六烷基三甲基溴化铵对二氧化钛的活性影响较小。4.结论本实验采用水热合成法制备纳米二氧化钛，通过控制钛酸丁酯与尿素、十六烷基三甲基溴化铵的不同质量比，对得到的二氧化钛进行光催化降解有机污染物实验，以表征其活性，实验结果表明加入尿素的量不同，对制备的二氧化钛的催化活性有较明显的影响，通过实验对比可知，当尿素的质量与钛酸四丁酯的质量比约为1:2是所得纳米二氧化钛产品的活性最好。未加十六烷基三甲基溴化铵所制备的二氧化钛也具有不错的催化活性，说明十六烷基三甲基溴化铵对纳米二氧化钛的催化活性作用效果不大。当尿素与十六烷基三甲基溴化铵同时作用于纳米二氧化钛并有一定的配比时，制备的二氧化钛表面的氧空缺与羟基达到最优比例，催化活性最大，对罗丹明B的降解率达98%以上。且以尿素为氮源，十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂制备的纳米二氧化钛，具有方法简单、易于操作、产物催化作用强等特点。东北林业大学综合设计性试验报告论文题目：二氧化钛的制备分析学生：马妙莲指导教师：韩世岩专业(班级)：材料化学08级二班学院：材料科学与工程学院2011年12月24日