简介概要

TiO2纳米晶材料的制备和光催化性能研究

来源期刊：稀有金属2002年第6期

论文作者：张力何芬

关键词：氧化钛; 光催化; 纳米;

摘要：对采用溶胶-凝胶方法制备的TiO2纳米晶材料进行了光催化分解氨气的测试试验. 实验结果表明, 制备TiO2纳米晶的方法直接影响TiO2纳米晶材料的光催化性能. 采用碱性水溶液条件形成溶胶-凝胶体系时, 制备的TiO2纳米晶材料可长期使用, 光催化性能不变; TiO2纳米晶的表面处理剂是影响TiO2纳米晶材料光催化性能的显著因素; TiO2纳米晶在晶粒度小于100 nm的条件下, 其晶粒度大小对光催化性能无显著影响.

稀有金属 2002,(06),441-443 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.06.008

TiO₂纳米晶材料的制备和光催化性能研究

何芬

北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所,北京有色金属研究总院矿物资源与冶金材料研究所北京100088 ,北京100088

摘要：

对采用溶胶凝胶方法制备的TiO2 纳米晶材料进行了光催化分解氨气的测试试验。实验结果表明 , 制备TiO2 纳米晶的方法直接影响TiO2 纳米晶材料的光催化性能。采用碱性水溶液条件形成溶胶凝胶体系时 , 制备的TiO2 纳米晶材料可长期使用 , 光催化性能不变 ;TiO2 纳米晶的表面处理剂是影响TiO2 纳米晶材料光催化性能的显著因素 ;TiO2 纳米晶在晶粒度小于 10 0nm的条件下 , 其晶粒度大小对光催化性能无显著影响。

关键词：

氧化钛;光催化;纳米;

中图分类号： TB383

收稿日期：2002-06-02

Preparation and Photocatalytic Properties of Nanometer TiO₂ Particles

Abstract：

The nanometer TiO 2 particles were prepared with the ordinary inorganic reagents by sol gel process. The surface areas of the TiO 2 particles are from 50 to 190 m 2·g -1 . The decomposition effects of nanometer TiO 2 photocatalyst on ammonia under ultraviolet irradiation were examined. It shows that the effects varied greatly with the variation of coating materials on the nanometer TiO 2 photocatalyst. The nanometer TiO 2 particles prepared from the basic aqueous solution show ideal photocatalytic effects. The photocatalytic effects of the nanometer TiO 2 photocatalyst are almost the same when the diameters of the TiO 2 particles are within 100 nm.

Keyword：

titanium oxide; photocatalyst; nanometer;

Received： 2002-06-02

光催化型TiO₂纳米晶材料是一种新型、广普、有效的空气净化材料, 对多种有机毒性气体及无机刺激性气体都有良好的分解作用, 为环境污染的治理提供了一条新型、有效的途径。在1994年～1995年人们就开始使用纳米微晶TiO₂材料对废水、废气中的有机氯苯及带苯环的有机污染物进行光催化分解效率及光催化分解机理研究。文献 [ 1] 叙述了在荧光灯管玻璃表面镀参杂α-Fe₂O₃的TiO₂纳米晶薄膜, 荧光灯发出的光可以除去在封闭室内的微量污染物、细菌、真菌及去除刺激性气味, 同时还有过滤紫外线的作用。文献 [ 2] 叙述了一种光催化型的空气净化器, 它主要使用在精密产品的生产场所, 如半导体生产车间、液晶生产车间、精密仪器制备工厂和珍贵物品储藏室及特殊的运输箱内等。在这些生产场所对空气的质量有严格的要求, 极微量的有害气体也会对产品造成影响。该种空气净化器使用TiO₂纳米晶薄膜, 其中参杂Pt, Ag, Pd, RuO₂, Co₃O₄ 等至少一种做为光催化剂, 除去封闭室内空气中的微量有害成份, 如C_16-20碳氢有机化合物, 这些微量有害成份很难用其它方法除去。文献 [ 3] 叙述了在住宅和病房等室内的墙壁上使用TiO₂纳米晶薄膜, 在室内的荧光灯的照射下, TiO₂纳米晶薄膜上的光照能量为0.01～0.1 mW·cm^-2时, 附着在薄膜上的细菌及微量污物就在TiO₂纳米晶薄膜光催化作用下发生分解, 使空气得到净化。中科院生态环境研究所水化学实验研究中心、北京大学、武汉大学、中科院感光化学研究所等单位在光催化型TiO₂纳米晶薄膜的制备、光催化机理及性能方面做了大量的研究工作 ^[4,5,6,7,8] 。中国建筑材料科学研究院 ^[9] 把光催化型TiO₂纳米晶薄膜镀于建筑材料上, 使其具有杀菌作用。

本研究使用普通无机化工原料, 采用溶胶-凝胶方法制备光催化型TiO₂纳米晶材料, 纳米晶材料进行了光催化性能测试。

1 实验内容

量取一定量的钛化合物溶液, 加入一定量胶化剂溶液, 再加入一定量的pH调节剂, 搅拌均匀, 形成TiO₂ 凝胶。对形成的TiO₂ 凝胶进行干燥、灼烧; 对得到的TiO₂纳米晶粉体进行表面处理, 制备TiO₂纳米晶材料。

在体积为0.045 m³的封闭体系内, 放入紫外灯, 放入一定量和一定面积的TiO₂纳米晶材料, 通入一定量的氨气, 对氨气进行光催化分解反应测试试验。对采用不同的试验条件制备的TiO₂纳米晶材料进行了光催化分解氨气测试试验; 对不同的氨气浓度范围进行了光催化分解测试试验; 对不同的表面处理剂处理后的TiO₂纳米晶材料进行了光催化分解氨气测试试验。

2 结果及讨论

制备的TiO₂纳米晶材料的物化性能列于表1。

2.1 TiO2纳米晶材料制备方法对光催化性能的影响

在图1中显示出在不同的水溶液条件下制备的TiO₂纳米晶材料在8 W紫外灯照射下, 封闭体系内氨气分解率随光照累计时间的特性关系图。图1显示的关系曲线表明, 6^#试验中使用的样品可使氨气的分解率达到>99%, 而0^#试验使用的样品在使用22 h后就失去了对氨气的光催化分解作用。可见TiO₂纳米晶材料不同的制备条件对光催化分解氨气有明显的影响。不同的水溶液条件对TiO₂纳米晶的晶型及TiO₂纳米晶的表面形态有较明显的影响。

表1 TiO₂纳米晶材料的物化性能^* 下载原图

Table 1 Physics-Chemistry Properties of TiO₂Particles

*A和 B表示制备TiO₂纳米晶材料的两种水溶液条件; 1和 2表示两种灼烧条件

表1 TiO₂纳米晶材料的物化性能^*

2.2 TiO2纳米晶材料晶粒度对光催化性能的影响

在图2中显示出在碱性水溶液条件下制备的TiO₂纳米晶材料, 在8 W紫外灯照射下, 封闭体系内氨气浓度、氨气分解率随光照累计时间的特性关系图。图2显示了不同的TiO₂纳米晶材料晶粒度大小对光催化分解氨气的影响。 4^#～6^#的试验结果表明不同的TiO₂纳米晶材料晶粒度大小对光催化分解氨气没有显著的影响; 在光照累计时间为15 h后氨气的分解率达到80%, 在光照累计40 h后氨气的分解率达到99%, 完全分解。

从图3氨气分解反应速率与氨气浓度的关系曲线可知在试验条件下, 光催化分解氨气的反应速率常数K为0.094 h^-1; 图4显示出在氨气浓度为7 ppm的体系中光催化分解氨气的反应速率与氨气浓度的关系曲线, 在此条件下的反应速率常数K为0.0783 h^-1。在氨气浓度为7 ppm的体系中光催化分解氨气15～20 h使体系中氨气浓度<1 ppm。

2.3 TiO2纳米晶表面涂层材料对光催化性能的影响

图5～7显示了不同表面处理剂对TiO₂纳米晶进行处理后, 各种TiO₂纳米晶材料对光催化分解氨气的影响。 11^#～12^#的试验结果表明, 采用11^#表面处理剂改变TiO₂纳米晶表面性能后, 与6^#试验的结果进行比较, 对光催化分解氨气的反应速率有明显的降低, 反应速率常数K由0.094h^-1变为0.0578 h^-1; 采用12^#表面处理剂改变TiO₂纳米晶表面性能后, 与6^#试验的结果进行比较, 对光催化分解氨气的反应速率有明显的提高, 使氨气分解率达到99%的完全分解光照累计时间由原来的40 h缩短到10 h。可见进行表面改性处理对提高TiO₂纳米晶材料的光催化效率有显著的效果。