实验15　纳米二氧化钛的制备及光催化性能

一、实验目的

① 掌握二氧化钛的溶胶-凝胶的制备方法。

② 了解二氧化钛光催化降解污染物的原理。

③ 熟悉测定光催化性能的方法。

二、实验原理

（1）溶胶-凝胶法制备二氧化钛

溶胶-凝胶法是20世纪80年代兴起的一种制备纳米粉体的湿化学方法，具有分散性好、煅烧温度低、反应易控制等优点。制备溶胶所用的原料为钛酸丁酯[Ti（O-C₄H₉）₄]、水、无水乙醇以及盐酸（或者醋酸、硝酸等）。反应物为钛酸丁酯和水，分散介质为乙醇，盐酸用来调节体系的酸度防止钛离子水解过速，使钛酸丁酯在乙醇中水解生成钛酸Ti（OH）₄，钛酸脱水后即可获得二氧化钛。水解反应方程式如下。

Ti（O-C₄H₉）₄+4H₂O Ti（OH）₄+4C₄H₉OH

Ti（OH）₄+Ti（OH）₄ 2TiO₂+4H₂O

在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得不同晶型的二氧化钛。

（2）二氧化钛光催化降解污染物

二氧化钛作为光催化剂的代表，在太阳能光解水，污水处理等方面有着重要的应用前景。二氧化钛有三种晶型，四方晶系的锐钛矿型、金红石型和斜方晶系的板钛型。此外，还存在着非晶型二氧化钛。其中板钛型不稳定；金红石型禁带宽度为3.0eV，表现出最高的光敏性，但因为表面电子-空穴对重新结合的较快，几乎没有光催化活性；锐钛矿禁带宽度稍大一些，为3.2eV。E_g=3.2eV，对应的最大吸收波长λ=hC/E_g=387.5nm，在一定波长范围的紫外光辐照下能被激发，产生电子和空穴，且二者能发生分离，另外它的表面对氧气的吸附能力较强，具有较高的光催化活性。当它受到波长小于或等于387.5nm的光（紫外光）照射时，价带的电子就会获得光子的能量而跃迁至导带，形成光生电子（e^-）；而价带中则相应地形成光生空穴（h⁺），如图15.1所示。如果把分散在溶液中的每一颗二氧化钛粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到二氧化钛表面不同的位置。二氧化钛表面的光生电子e^-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h⁺则可以将吸附于二氧化钛表面的OH^-和H₂O分子氧化成·OH羟基自由基，·OH自由基的氧化能力非常强，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、二氧化碳和水等无害物质。

三、实验设备与材料

① 设备：磁力搅拌器、干燥箱、马弗炉、紫外-可见分光光度计、离心机、超声波清洗器、光化学反应仪、鼓泡器。

② 试剂：钛酸丁酯、无水乙醇、盐酸、甲基橙、去离子水。

四、实验步骤与方法

（1）纳米二氧化钛的制备

本实验以钛酸四丁酯为二氧化钛的前驱体，乙醇为溶剂，盐酸为抑制剂制备二氧化钛。溶胶过程均在室温下进行，步骤如下。

① 取二氧化钛的前驱体钛酸丁酯为0.01mol，根据钛酸丁酯∶乙醇∶水∶盐酸=1∶20∶1∶0.1的摩尔比计算各试剂用量，见下表。

② 按照工艺流程图制备二氧化钛溶胶：取2/3份乙醇置于烧杯，将钛酸丁酯倒入其中并磁力搅拌15min形成钛酸丁酯的乙醇溶液；再将剩余的1/3份乙醇和水、盐酸混合，然后慢慢滴加，磁力搅拌1h后可形成透明的浅黄色溶胶。

③ 将溶胶在室温下陈化约为24h即可转变为透明凝胶。

④ 将凝胶置于干燥箱中以100℃干燥12h。取出后用玛瑙研钵研碎。

⑤ 将粉末放入坩埚并置于电炉中，在500℃，保温2h，取出后冷却即可得到二氧化钛纳米粉末。

（2）光催化性能测试

配置5mg/L的甲基橙溶液，量取100mL甲基橙溶液置于放有0.5g纳米二氧化钛的200mL石英试管中，超声分散15～20min，然后用300W紫外灯为光源照射溶液，同时用鼓泡器给体系提供氧气并加以电磁搅拌。每隔10min（即0min，10min，20min，30min，40min，50min，60min）取样10mL放在离心管中，在离心机上离心分离，用移液枪吸取上清液置于具塞试管（或离心管）中，采用紫外-可见分光光度计测甲基橙溶液在465nm处的吸光度，根据公式计算甲基橙的降解率。

降解率η%=（1-A_t/A₀）×100%，式中，A_t、A₀分别为反应初始（t=0分钟）和某一时刻测得的吸光度值。

五、数据记录与处理

用origin软件画出不同反应时间下的A～λ图和降解率η～t图，并完成表15.1。

六、思考题

为什么离心时一定要将二氧化钛纳米粉末分离干净？

参　考　文　献

[1]　杜锦阁，姚朝宗.纳米二氧化钛的制备及其光催化性能[J].化学研究，2012，23（4）：78-80.

[2]　梁德荣.纳米TiO₂的制备及其光催化性能的研究[J].山西化工，2008，28（3）：17-19.