TiO2非晶納米顆粒的制備與表征.pdf

1、TiO2因具有較高的催化活性、生物相容性、抗菌性和能夠吸收紫外線等優(yōu)異的性能，而被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如光催化、化妝品、太陽能電池、化學(xué)傳感器以及鋰離子電池等。非晶態(tài)TiO2，作為TiO2的一種，結(jié)構(gòu)上具有非晶態(tài)特有的“短程有序，長程無序”的特點(diǎn)。非晶態(tài)TiO2結(jié)構(gòu)上不同于晶態(tài)TiO2的有序結(jié)構(gòu)，因此，非晶態(tài)TiO2具有不同于晶態(tài)TiO2的性能。非晶態(tài)TiO2在太陽能電池、半導(dǎo)體器件以及納米玻璃的制備等領(lǐng)域具有廣泛的重要應(yīng)用前景。因此，

2、非晶態(tài) TiO2的制備具有重要意義。我們采用傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法，以鈦酸四丁酯（TBOT）和異丙醇鈦（TTIP）為鈦源，制備TiO2非晶納米顆粒。探討加入醋酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液pH值，以及加入表面活性劑，對TiO2非晶納米顆粒的形狀、尺寸、相變和分散性的影響。分別采用直接沉淀法和均勻沉淀法，以無機(jī)鈦鹽為原料，制備 TiO2顆粒，并對其進(jìn)行表征。二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N熱門的光催化劑材料，其可見光利用率低的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。非晶態(tài)二氧化鈦結(jié)構(gòu)上不同于

3、晶態(tài)二氧化鈦，具有不同于晶態(tài)二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。因此，非晶態(tài)二氧化鈦有望成為解決二氧化鈦可見光利用率低的途徑之一。對所制備的TiO2非晶納米顆粒的光催化性能進(jìn)行表征，研究樣品顆粒尺寸及結(jié)構(gòu)對光催化性能的影響。此外，研究制備過程中使用酒精和水洗滌對 TiO2樣品結(jié)構(gòu)的影響，分析了其機(jī)理，并將此方法在其他金屬氧化物及氫氧化物的制備過程中驗(yàn)證。該方法有望成為一種簡單有效控制金屬氧化物和氫氧化物結(jié)構(gòu)的方法。
　　研究結(jié)果表明，采

4、用溶膠-凝膠法，以鈦酸四丁酯為鈦源，制備TiO2非晶納米顆粒。研究了表面活性劑，反應(yīng)溶液pH值，及鈦醇鹽種類對制備樣品顆粒尺寸的影響。以聚乙二醇（PEG）為表面活性劑，制備出樣品分散性較好，且顆粒尺寸較小。加入醋酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH值，加入1 mL醋酸時，反應(yīng)溶液的pH值由6.0降低至3.8。制備樣品顆粒尺寸隨加入醋酸量的增加而減小。有機(jī)鈦鹽的水解速率受結(jié)構(gòu)中碳鏈的影響，碳鏈長度越短反應(yīng)速率越快。因此，使用異丙醇鈦為鈦源，制備出了顆粒尺

5、寸較小的TiO2非晶納米顆粒。透射電子顯微鏡（TEM）分析結(jié)果顯示，采用溶膠-凝膠法，制備出純度高、形狀比較規(guī)則、分散性較好，平均顆粒尺寸分別為21 nm、38 nm、52 nm的TiO2非晶納米顆粒。
　　采用直接沉淀法，無機(jī)鈦鹽TiCl4為鈦源，3 mol/L氨水為沉淀劑，制備TiO2非晶納米顆粒。結(jié)合差熱分析（DTA）和 X射線衍射（XRD）分析結(jié)果，確定了最佳煅燒參數(shù)；300?C煅燒2 h，制備TiO2非晶納米顆粒。傅里葉

6、變換紅外光譜（FTIR）分析結(jié)果表明，樣品中有機(jī)物等其他雜質(zhì)基本被去除。透射電子顯微鏡（TEM）分析結(jié)果顯示，樣品顆粒的尺寸較小，且分散性較好。BET比表面積測試結(jié)果推算出前驅(qū)體樣品顆粒平均顆粒尺寸為3.57 nm，所制TiO2非晶納米顆粒平均顆粒尺寸為3.64 nm。然后采用均勻沉淀法，制備TiO2樣品，研究了不同鈦源及不同沉淀劑對樣品顆粒形狀的影響。以TiCl4和TBOT為鈦源制備的樣品顆粒形狀不規(guī)則，而以Ti(SO4)2為鈦源制備

7、的樣品顆粒形狀為球形。使用不同沉淀劑制備樣品時，可對樣品顆粒顆粒尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　對制備的不同顆粒尺寸及結(jié)構(gòu)的TiO2樣品光催化性能進(jìn)行了研究。首先選取不同平均顆粒尺寸的TiO2非晶納米顆粒，進(jìn)行光催化試驗(yàn)。紫外-可見吸收光譜（UV-vis）分析結(jié)果顯示，樣品帶隙能隨顆粒尺寸減小而減小。紫外光催化分解甲基橙實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品的催化性能隨顆粒尺寸減小而增加。此外，對非晶態(tài)和晶態(tài)二氧化鈦光催化性能進(jìn)行了對比分析。UV-vis分析結(jié)果

8、顯示，非晶態(tài)TiO2可見光吸收率較高，且非晶態(tài)TiO2帶隙能較小。分解甲基橙（MO）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在紫外光照射下，晶態(tài)TiO2樣品具有較高的催化分解MO效率；在可見光照射下，非晶態(tài)TiO2樣品具有較高的催化分解MO效率。非晶態(tài)二氧化鈦有望成為解決二氧化鈦可見光利用率低的途徑之一。
　　為控制TiO2非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，研究了制備條件對TiO2結(jié)構(gòu)的影響。TiO2樣品制備過程中，酒精和水洗滌對樣品的結(jié)構(gòu)有較大影響。XRD分析結(jié)果顯示，酒精洗

9、滌樣品為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，而水洗滌樣品為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。酒精洗滌樣品經(jīng)過320?C煅燒2 h，仍保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)合FTIR和TG分析，得出控制樣品結(jié)構(gòu)的原因，是酒精洗滌樣品在樣品顆粒表面形成了（Ti(RCH2O)2xO2-x）有機(jī)包覆層，煅燒過程中包覆層被氧化為（Ti(RCOO)2xO2-x）包覆層，這兩種包覆層均能阻礙樣品顆粒的晶化，使樣品顆粒保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。水洗滌樣品由于沒有包覆層的存在，能夠在較低的溫度下晶化。該方法對制備 TiO2樣品的結(jié)