連續(xù)TiO2纖維的制備及其光催化性能研究.pdf

1、當(dāng)前的環(huán)境污染狀況日益嚴(yán)重，使得無毒、高效的TiO2光催化劑近年來成為新型無機(jī)功能材料研究的熱點(diǎn)。但目前作為研究主體的TiO2納米材料，如TiO2納米粉體、TiO2納米管及TiO2納米纖維，仍存在兩大基本問題：其一，由于尺寸的納米化而難以分離回收；其二，僅在紫外光條件下具有光催化活性，可見光利用率低。這兩大問題限制了該材料的工業(yè)化應(yīng)用。因此，研究便于回收且光響應(yīng)范圍得到擴(kuò)展的連續(xù)TiO2纖維對(duì)于TiO2催化劑的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本文

2、采用溶膠-凝膠法制備了連續(xù)TiO2纖維(CTF)，研究了具有可紡性鈦溶膠的形成機(jī)制和熱處理過程中工藝參數(shù)對(duì)CTF微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；進(jìn)行了CTF的表面造孔機(jī)理和晶粒生長動(dòng)力學(xué)研究；對(duì)CTF進(jìn)行無機(jī)非金屬元素的摻雜改性，并以亞甲基藍(lán)溶液和甲醛為目標(biāo)降解物，研究了CTF的光催化活性。主要研究結(jié)果如下：
　　 (1)研究了TiO2纖維先驅(qū)體結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，精確控制TiO2纖維先驅(qū)體的結(jié)構(gòu)及其流變性，實(shí)現(xiàn)TiO2纖維先驅(qū)體可紡性。研究結(jié)果

3、表明，在pH值為5、R小于或等于2、P為0.1％、油浴溫度在120℃～135℃和油浴時(shí)間為1～2h的條件下制備的溶膠粘度為5～12Pa·s，具有可紡性。當(dāng)pH值一定(pH=5)時(shí)，R≤2(molarratio)的溶膠為線性結(jié)構(gòu)，其分子式為Ti(OBU)3[OTi(OBu)2]n-1OH，溶膠具有可紡性；R>2(molar ratio)的溶膠形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，溶膠失去可紡性。
　　 (2)將可紡性的鈦溶膠通過實(shí)驗(yàn)室自制高壓紡絲機(jī)紡絲

4、，熱處理后得到CTF。研究了熱處理方式、溫度和時(shí)間對(duì)CTF纖維結(jié)構(gòu)及化學(xué)組分的影響。研究發(fā)現(xiàn)，空氣熱處理和水汽活化熱處理所制備的CTF直徑一致(約為20-30μm)，且組成纖維的納米顆粒尺寸也一致，然而水汽活化熱處理制備的CTF比表面積(32.27 m2/g)比空氣熱處理制備的CTF的比表面積(26.66 m2/g)大。熱處理溫度為500℃時(shí)，CTF由結(jié)晶良好的銳鈦礦型和金紅石型TiO2納米晶粒組成，TiO2從銳鈦礦轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型的晶型

5、轉(zhuǎn)變活化能為96kJ/mol。利用水汽活化熱處理方式，在500℃下對(duì)原絲進(jìn)行不同時(shí)間的熱處理，對(duì)銳鈦礦TiO2晶粒和金紅石TiO2晶粒分別進(jìn)行晶粒生長動(dòng)力學(xué)研究。結(jié)果表明，500℃時(shí)，銳鈦礦的晶粒生長指數(shù)為2，晶粒生長速率常數(shù)為5.34x102nm2/h；金紅石晶粒的生長指數(shù)為4，晶粒生長速率常數(shù)為1.91×107nm4/h。水汽活化造孔機(jī)理為：CTF表面由于缺氧而碳化的有機(jī)物，與水蒸氣分解所釋放出的氧氣發(fā)生氣化反應(yīng)，以CO2的形式逸出

6、，從而在CTF表面形成孔隙。
　　 (3)采用亞甲基藍(lán)(MB)溶液和甲醛的光催化降解實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)CTF的光催化活性。在紫外燈功率(25W)和反應(yīng)溫度(25℃)一定的條件下，CTF對(duì)MB溶液光催化降解的最佳反應(yīng)條件是：催化劑CTF的濃度為0.6g/L，pH值為7.0，MB溶液基本降解完全，且在重復(fù)使用8次后，降解率仍達(dá)到90.3％；對(duì)甲醛(10mg/L)光催化降解的最佳反應(yīng)條件是：催化劑CTF濃度為0.6g/L，pH值為7.0，降解

7、率達(dá)到98.6％。
　　 (4)采用原位法制備了Si摻雜的連續(xù)TiO2纖維(Si-CTF)，并在N2氣氛下熱處理，制備了Si、N共摻雜的連續(xù)TiO2纖維[(Si，N)-CTF]。結(jié)果表明，Si/Ti摩爾比(S)為5％時(shí)的溶膠具有可紡性，且在40℃以下Si摻雜可以提高溶膠粘度。Si摻雜能抑制TiO2晶粒的生長。另外，經(jīng)500℃熱處理后，在Si-CTF和(Si，N)-CTF的XRD圖譜中僅有銳鈦礦相TiO2，并未出現(xiàn)金紅石相的衍射峰