不同晶型TiO2纳米晶直接化学合成及光催化性能研究学科专业：材料学摘要本实验以钛酸丁酯（TBT ）为出发原料，以浓盐酸为溶液酸性环 境调节剂，以水为溶剂，用水热合成法制备了锐钛矿、金红石以及二 者不同比例的混合晶型，利用XRD等测试手段研究其可行性并讨论不 同工艺参数Ti4+/H+比对合成TiO2晶体的影响，并通过控制Ti4+/H+ 比来控制制得的TiO2粉末中锐钛矿和金红石的比例以期获得最佳的 光催化效果，而且利用TiO2粉末在紫外灯光照下降解甲基橙来评价其 光催化性能实验结果表明：在本研究条件下，在J+浓度较低的体系 下反应有利于得到结晶度高的锐钛矿型TiO2晶体；采用H+浓度较高的 体系有利于高结晶度的金红石型的TiO2晶体，于是就可以通过控制 Ti4+与H+的比例来制得锐钛矿和金红石不同比例的混合晶型，并通过光催化实验来确定最佳的Ti4+/H+比例关键词：水热法;不同比例；混合晶型；光催化；TiO2纳米晶，金红石，锐钛矿、本实验的背景随着工业的发展，环境污染的问题特别是废水的污染越来越影 响到人们生活质量的提咼,人们一直在努力寻找一种咼效、耗能少、 对自界没有污染的处理污染物的催化剂,而光催化材料能够利用太 阳光降解大部分目前已知的污染物，具有巨大的应用潜力。
经过多年 的研究发现TiO2的活性高、热稳定性好、持续性长、价格便宜且对 人体无害等优点，能够降解包括染料、表面活性剂、农药及其他难生 物降解的各种有毒有机污染物，降解最终产物为H20、CO2和无害盐 类，产物清洁，被认为是一种极具前途的有机污染物深度净化技术, 是作为光催化材料的首选材料.TiO2由于禁带比较宽,能够利用的太 阳光有限,而且量子效率不高，使它的应用一直受到限制,而纳米 TiO2由于量子尺寸效应可以明显提高其光催化活性,而受到人们的 重视Kormann等人研究了3nm以下的锐钛矿型纳米TiO2的紫外-可见 光谱和表面性质,发现其有明显的量子尺寸效应.Anpo等人研究了大 于4 nm的锐钛矿型纳米TiO2的光催化活性，发现纳米TiO2粉末晶粒粒 径在10nm以下时具有明显的量子尺寸效应，紫外-可见吸收光谱和荧 光发射光谱峰位随着晶粒粒径变小而朝短波方向移动，并显著提高 了 Ti02粉末的光催化活性，而且TiO2粉末的粒径越小光催化活性越 高现在TiO2以其优异的光催化活性和物理化学特性，在环境污染 治理方面已获得较为广泛的研究和应用.尤其在能源、环境问题日益 突出的今天，TiO2光催化性能性能以及其材料的研究更具现实意义。
本实验以钛酸丁酯（TBT ）和浓盐酸为出发原料，用水热合成法 制备了锐钛矿、金红石以及二者不同比例的混合晶型，利用XRD等测 试手段研究其可行性并讨论不同工艺参数Ti4+/H+比对合成TiO2晶体的影响，并通过控制Ti4+/H+比来控制制得的TiO2粉末中锐钛矿和金 红石的比例以期获得最佳的光催化效果，而且利用TiO2粉末在紫外灯 光照下降解甲基橙来评价其光催化性能二、试验方法及条件1、制备TiO2纳米晶的实验方案在一定ph值的水体系中加入钛酸丁酯（TBT）在室温下先搅拌至 透明（或接近透明），然后置于恒温搅拌器上搅拌加热，达到一定温 度之后保温回流搅拌8个小时，再自然冷却、清洗分离，真空条件下 干燥8个小时，干燥完成后用研钵研细，然后将研磨得到的TiO2粉末 在300°C下热处理1个小时得到纳米TiO2在本试验中，通过改变体系 的pH值制备不同工艺参数的TiO2纳米晶，通过取0.02g所得粉末光 催化20ml 0.01g/ml的甲基橙溶液，测得甲基橙的分解速率，表征所 得TiO2的光催化性能，再通过XRD等分析测试方法的比较，得到各 种各种可能的因素对实验结果的影响TiO2纳米晶的制备流程如图1 所示：H20浓盐酸TBT（搅拌15分钟）图1. TiO2纳米晶制备过程2、光催化性能研究分别将制备的不同的TiO2纳米晶粉末取0.02g粉末加入到20ml 0.01g/ml的甲基橙溶液中搅拌15min至均匀，再将不同液体放在光催 化装置中（如图2）,每隔一定时间取样3ml，用离心机分离出上清液。
然后所取样放在紫外-可见-近红外分光光度计中测量其吸光度Abs,根据吸光度确定各种不同的TiO2纳米晶对有机物的 分解情况求取各组样品吸光光度值Abs的自然对数，绘制成曲线紫外灯管三、实验过程分析:1、总体分析：为了探究Ti4+/H+的比例对生成二氧化钛晶型的影响，我们做了 Ti4+/H+ 不同比例的实验，并且对其进行了 XRD检测，下面是Ti4+/H+分别为1： 5~1： 20的XR D波谱图：86-1157: Anatase20 30 40 50 60 702-Theta / °100[TZl-A.txt]0-^69004.6153^691000023700032„30405060701000-1： 6[TZ1-B.txt]65-0190: Rutile\mu -- 1kzl76-1934: Brookite\-)= 12-X)n0A.AX3,XAUTCi I iill il, h30\)uw(21-1272: Anatase212 112'40506070xlarRu^vt2icaz[TZ1-D.txt]65-0190:utile\^2nc30), '--厂、401： 9- x)u^u76-1934: Brookite502 6 / °y)ul(21-1272: Anatase60 7075-1582: Brookite50\)QJC20XWM2\)uuc.21-1276: Rutile - TiO2H21-1272: Anatase - TiO304050((60701： 12-°°2.44AAA 1:13R:13nm〜15niAJSTnun^^z/I150100'50 '0 -„O1 ^0309--°°1X73-2224: Rutil20 30401： 13502-Theta(°6070[2-BBB.txt]0QU08.vol ^92034.59^30\14zz.^29-1360: Brookite87-0920: Rutile30405060 702-Theta(°1002-FF.txt21-1276: Rutile -2030405060702 0 / °1： 165015010040.GG-221-1276: Rutile - Ti(220 30 40502 0 / °60701： 20由以上的这些XRD波谱图来分析，可知：在Ti4+/H+比例低的情况下主要是以锐钛矿为 主，金红石占很小的一部分；在Ti4+/H+比例很高的情况下(1： 13以上)所得到的粉末几 乎全部为金红石晶型。
处于中间比例的是锐钛矿和金红石的混合物，我们可以从它们的光催 化实验中找到光催化性能最好的锐钛矿与金红石的的最佳混合物于是又做了光催化分解甲 基橙(0.01mol/L)实验，实验结果如下：1-0.8Time /minTime / minC=1： 4, 1-Cx=1： 4, 1-A=1:6, 1-Z=1： 6, 1-B=1： 8, 1-D=1： 9综合以上各图来分析，在纯锐钛矿下和纯金红石的情况下，锐钛矿的光催化甲基橙 的性能比金红石要好，但光催化性能都不是最佳，光催化性能最好的是锐钛矿和金红石 的的混合晶型由此，我们就能够通过控制Ti4+/H+的不同比例来控制制备出的样品粉 末中的锐钛矿和金红石的比例，从而得到光催化性能最佳的混合晶型2、异常情况及探究在进行试验的过程中，在Ti4+/H+=1： 5的情况下会出现异常情况，对它们做XRD如下图:2-CR20186-1157: Anatase 讪2珀1』10 6.20V V V V1 1 2) 1)1) 76-1934: Brookite1 2 0 00inq 0 4 2ihL^L .3 )21-1276: Rutile0山丿，2ll 0.011.213. 1^1 ■ 1 V (l20 30 4050 60 70xisrnu^.v/186-1157: Anatase2-Theta /0020\1)1, V\4)Z2C\^)/^^- VI \4)z3.k\144zk\m)z2.k30 405076-1934: BrookiteI 3 .liil.ii I k ■■ i ■21-1276: Rutile60702-Theta / °[2-CCC.txt]13,421-1272: Anatasej 01 0』31 L2 1.01L!76-0317: Rutile魚川0」0山1 1 1 1 1 1 120 301 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Illi 1 1 1 M 140 50 60 702-Theta（°我们初步断定是由于盐酸和钛酸丁酯（TBT）的搅拌时间的关系影响的，于是就又做了 几组实验来验证我们的想法。
其中，2-CCC是盐酸和钛酸丁酯（TBT）混合时搅拌了 15分钟， 2-CR20搅拌了 20分钟，2-CR60搅拌了 60分钟由XRD图谱得知，搅拌时间短的生成的金 红石较多，搅拌时间长的生成的锐钛矿较多这些只是初步的推断，或许还有其他的因素影 响着反应的结果，对此我们还会继续做后续的研究实验3、改进实验及结果分析我们在实验过程中，对水的加入量和加入方式进行了控制，试验流程图如下： 第一组：一次性加入足量的水，根据试验流程图（没有红色的部分）进行反应 第二组：先加入少量的水，分局完整的试验流程图（包括红色）反应我们之所以这样调整是想根据水的加入量来控制反应中盐酸的浓度，分别让钛酸丁酯（TBT ）和不同浓度的盐酸反应来进行探究 第一组图解：以下是我们得出的两组不同的XRD图谱:2 0 /Ti4+/H+=1: 6Ti4+/H+=1: 9第二组图解:21-1272: Anatase30 40 50 60 702-Theta / °Ti4+/H+=1： 6100。