汪鵬生,李德權(quán),李 洋
(安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院,安徽 淮南 232000)
水熱法合成TiO2納米花及其性能
汪鵬生,李德權(quán),李 洋
(安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院,安徽 淮南 232000)
為了解決一維和二維納米材料在降解有機污染物時,易發(fā)生團聚,催化活性低和難以回收等問題,以鈦酸四丁酯和醋酸為原料,采用水熱法了合成三維TiO2納米花。制備地樣品TiO2納米花通過X射線衍射(XRD),透射電子顯微鏡(TEM),紫外-可見光(UV)分析,表明TiO2納米花被合成。在可見光的照射下,相比較P25(TiO2粉末),所合成的TiO2納米花具有較強的光催化性能。
TiO2;納米花;水熱法
最近,TiO2納米材料在許多領(lǐng)域中已經(jīng)受到廣泛應(yīng)用,如光學(xué)器件,生物材料,傳感器和光催化等[1]。因其具有廉價,無毒,化學(xué)穩(wěn)定性好和其他理想的物理和化學(xué)性質(zhì)[2-5]。然而目前的研究主要集中在一維和二維,它們雖然具有比較大的比表面積,但是隨著比表面積的增大會導(dǎo)致發(fā)生團聚現(xiàn)象,從而催化效率變低。三維TiO2納米花是納米結(jié)構(gòu),三維TiO2納米花有利于多次循環(huán)使用后的回收利用,并且三維TiO2納米花特殊的結(jié)構(gòu)能夠使污染物與三維TiO2納米花充分接觸[6]。所以三維TiO2納米花具有很強的光催化性能,能夠成為研究的熱點?,F(xiàn)在人們所研究的三維材料主要是空心球類,而制成花類形狀材料大多為ZnO,SnO2等等。對于三維TiO2納米花很少有報道。
以鈦酸四丁酯和醋酸為原材料,通過水熱法合成三維TiO2納米花。具體操作如下:稱量1 mL鈦酸四丁酯和25 mL醋酸于燒杯中,超聲攪拌50 min,超聲攪拌結(jié)束后將上述溶液轉(zhuǎn)移到100 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯不銹鋼高壓反應(yīng)釜,將反應(yīng)釜再置于干燥箱中150℃條件下進行恒溫10 h。等自然冷卻環(huán)境溫度后取出,去離子水和無水乙醇分別對反應(yīng)結(jié)束后的混合溶液進行離心清洗多次,清洗結(jié)束后放置恒溫箱里于75℃條件下干燥10 h,干燥結(jié)束后將粉末于退火爐中350℃退火3 h后得到的白色固體粉末即為三維TiO2納米花。
樣品的晶體結(jié)構(gòu)用X射線粉末衍射儀(XRD)進行分析。樣品的特征和結(jié)構(gòu)使用透射電子顯微鏡(TEM)進行分析。樣品的紫外-可見漫反射譜用紫外-可見近紅外分光光度計(U-4100)進行表征。
甲基橙(MO)的光催化降解實驗在自制的露天反應(yīng)器中進行。在降解過程中,將樣品浸沒在含有40 mL MO水溶液(20 mg/L)的燒杯中。在用350 W氙燈照射溶液之前,將溶液攪拌30 min使其染料分子在催化劑表面上能夠吸收平衡,并且將溶液與燈的水平面垂直距離固定在10 cm。以10 min的間隔從反應(yīng)器中取出3 mL溶液。溶液的吸光度在紫外-可見吸收光度計(UV-3200S,MAPADA和分析儀器有限公司,中國上海)464 nm波長下測定。在實驗中使用420 nm截止濾光片獲得可見光源。
圖1給出了樣品二氧化鈦(TiO2)和樣品P25的XRD圖譜。對于樣品二氧化鈦(TiO2),檢測到的峰與銳鈦礦的標(biāo)準(zhǔn)峰匹配(JCPDS 21-1272),表明制備出了樣品二氧化鈦(TiO2)[7-8]。由XRD圖可以看出,強烈和尖銳的衍射峰表明該產(chǎn)品具有高純度和良好的結(jié)晶度,TiO2納米花與P25中的TiO2主要以銳鈦礦晶型存在[9]。
圖2為所制得的樣品TiO2納米花的透視電鏡圖。由圖(a)可以看出,合成的樣品TiO2納米花大小基本一樣,半徑約為500 nm。從圖(b)和圖(c)的圖像進一步顯示出水熱法合成的樣品TiO2納米呈現(xiàn)花狀結(jié)構(gòu),形貌完整,無團聚現(xiàn)象。在高倍透射電鏡條件下觀察我們所選區(qū)域如圖2(d)所示,能夠在電鏡下觀察到一種晶格條紋,這種晶格條紋的晶格間距大小為0.35 nm,與銳鈦礦相TiO2(101)界面是一致的[10]。這與我們所分析的XRD圖譜相對應(yīng)。
圖1 樣品TiO2納米花的X射線衍射圖譜
圖2 樣品TiO2納米花的透視電鏡圖
圖3為樣品TiO2納米花和P25的紫外-可見漫反射吸收光譜圖。與P25相比,樣品TiO2納米花明顯地改變了光的吸收性能。分層多孔結(jié)構(gòu)是有利于提高反應(yīng)物和產(chǎn)物分子流動和轉(zhuǎn)移率。樣品TiO2納米花具有較強的光催化的性能的原因可能是樣品TiO2納米花具有較大的比表面積,能夠與反應(yīng)物進行充分接觸,增強了污染物分子的吸收,從而導(dǎo)致提高了光催化性能。因此三維TiO2納米花光催化性能更好。
圖4給出以氙燈作為模擬太陽光源,以甲基橙溶液(MO)為有機污染物來考察樣品的光催化性能。從圖4可以觀察TiO2納米花在所有時間點上催化效率都是明顯超過高于P25,并且在甲基橙溶液(MO)被降解40 min后,TiO2納米花的降解率依然很高為97%,然而P25降解效率是低于TiO2納米花的。所以我們所制備的TiO2納米花光催化性能強。這主要是由于TiO2納米花是三維花狀結(jié)構(gòu),花狀結(jié)構(gòu)的比表面積比普通粒子的比表面積大,比表面積大能夠使TiO2納米花與環(huán)境污染物充分接觸,使污染物充分被降解,所以TiO2納米花光催化活性很強[7]。三維TiO2納米花還有可多次回收利用等優(yōu)點。
圖3 樣品TiO2納米花和P25的紫外-可見漫反射吸收光譜圖
圖4 樣品TiO2和P25在模擬太陽光下降解MO效率曲線
通過一種簡單的水熱法合成了由TiO2顆粒組成的三維TiO2納米花,這種方法不需要模板,簡單可行。所制備的TiO2納米花類型是銳鈦礦,其具有良好的粒子結(jié)晶性,TiO2納米花的大小約為15 nm,TiO2納米花的比表面積較大,當(dāng)TiO2納米花在模擬太陽光照射下降解甲基橙溶液時,40 min后降解率是P25的1倍多,所以所制備的TiO2納米花有很強的光催化活性。所制備的TiO2納米花具有一定的局限性,對紫外光的利用率較低,因此后期研究需要通過改性復(fù)合等方式從而提高對太陽光利用率,并且使之能夠應(yīng)用于太陽能電池等新型能源領(lǐng)域。
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Hydrothermal synthesis of TiO2nanoflower and its properties
WANG Peng-sheng,LI De-quan,LI Yang
(School of Mechanics and Optoelectronic Physics,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui232000,China)
To slove the problem of agglomeraction,low catalytic and difficulty to recycle and utilize of the one-dimension,two-dimension nanomaterials during the process of degradating organic pollutants,three-dimension TiO2nanoflowers were prepared by hydrothermal synthesis method under tetrabutyl titanate and acetic acid as raw materials.The samples were characterized by X-ray diffraction,transmission electron microscopy,UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy,and the results indicate TiO2{101}nanoflower has been synthesized.The as-prepared TiO2{101}hybrid composites showed better photocatalytic activity under visible-light irradiation than P25(TiO2powder).
TiO2;nanoflowers;hydrothermal method
TQ134文獻識別碼:A
1004-4329(2017)04-026-03
10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329(2017)04-026-03
2017-08-31
國家自然科學(xué)基金(51502005,51602005,11647001,11404005)資助。
汪鵬生(1992- ),男,碩士生,研究方向:納米材料。