功能材料課程設(shè)計(jì)報(bào)告

功能材料課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：鎳網(wǎng)負(fù)載TiO2光催化劑制備及其光催化活性研究姓名：蔡志鴻學(xué)號(hào)：200830750101班級(jí)：200級(jí)材料化學(xué)1班時(shí)間：2011年12月8日二零一一年十二月鎳網(wǎng)負(fù)載TiO光催化劑制備及其光催化活性研究2蔡志鴻黃偉釗（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,廣東廣州510642）摘要：以鈦酸正丁酯為原料採(cǎi)用溶膠-凝膠法在泡沫鎳網(wǎng)上制備了TiO薄膜光催化劑?利用FS,XRD,IR,UV等手2段研究了薄膜的表面及結(jié)構(gòu)特性.在高壓汞燈照射的反應(yīng)體系中,利用甲基橙降解試驗(yàn)研究了泡沫鎳網(wǎng)負(fù)載TiO2薄膜的光催化特性考察了不同醇水比和負(fù)載次數(shù)對(duì)光催化效率的影響.將TiO薄膜的結(jié)構(gòu)特性與其光催化活性進(jìn)2行了關(guān)聯(lián)?結(jié)果表明，醇水比為12.5:1,提拉3次可制得具有多孔結(jié)構(gòu)和結(jié)晶完好的銳鈦礦型TiO薄膜,并具有最佳的2光催化活性.關(guān)鍵詞：光催化；泡沫鎳網(wǎng)；二氧化鈦；甲基橙StudyonpreparationofTiO2photocatalystsloadedonnickelnets2andtheirphotocatalyticactivityCAIZhi-hong,HUANGWei-zhao,HUANGMing-xin,ZHOUYing-yi,LUGui-lin(DepartmentofAppliedChemistry，CollegeofSciences,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)Abstract:Withbutylacetatetitanateasrawmaterial,TiOfilmsloadedonfoamnickel(TiO-Ni)werepreparedbysol-gelmethod.ThesurfaceandthestructuralcharacteristicswereinvestigatedusingXRD,IR,FSandUV.ThephotocatalyticactivitiesofTiO-Niwereinvestigatedbythe2degradationofmethylorange.Theeffectofpreparationfactors,suchasratioofalcoholtowateranddippingtimes,wasexaminedonthecatalyticpropertiesofTiO-Ni.TheresultsshowthatTiO-Ni22preparedwithratioofalcoholtowater12.5:1anddipping3times,whichhadtheporestructureandanatasephaseTiO,hadthebestphotocatalyticactivity.Keywords:Photocatalytic;Nickelnets;Titaniumdioxide;Methylorangelightcatalyzing;Characterization1前言TiO作為光催化型環(huán)境凈化催化劑具有活性高、2安全、應(yīng)用范圍廣和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是最具有開(kāi)發(fā)前途的綠色環(huán)保型催化劑之一“°TiO粉末的固定化（負(fù)載）一直是實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)關(guān)鍵，利用各種載體和開(kāi)發(fā)不同負(fù)載制備技術(shù)對(duì)負(fù)載型TiO粉末⑷和薄2膜⑼光催化劑的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用十分重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)TiO薄膜光催化劑進(jìn)行了很多研究，但大都孔金屬”家庭中的后起之秀，是經(jīng)過(guò)高科技深加工將金屬鎳制成泡沫海綿狀，具有最佳三維全貫通網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。鎳骨架中空并以冶金狀態(tài)彼此交連，孔隙度高達(dá)96-98，體密度僅為鎳的五十分之一，比表面積極大，仍保持鎳的良好理化性質(zhì)，因而全新結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性使之成為功能型新材料，具有較為寬闊的應(yīng)用領(lǐng)域。孔金屬”家庭中的后起之秀，是經(jīng)過(guò)高科技深加工將金屬鎳制成泡沫海綿狀，具有最佳三維全貫通網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。鎳骨架中空并以冶金狀態(tài)彼此交連，孔隙度高達(dá)96-98，體密度僅為鎳的五十分之一，比表面積極大，仍保持鎳的良好理化性質(zhì)，因而全新結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特性使之成為功能型新材料，具有較為寬闊的應(yīng)用領(lǐng)域。本文以鈦酸正丁酯為原料，利用溶膠凝膠法，在泡沫鎳網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鎳網(wǎng))上制備了TiO薄膜(簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)iO/Ni),由于鎳網(wǎng)和TiO的界面擴(kuò)222散使薄膜能夠緊密結(jié)合,利用鎳網(wǎng)可以在一定程度上加大光催化劑的有效比表面積和降低氣阻。利用FS,XRD,IR,UV等技術(shù)研究了薄膜的表面及結(jié)構(gòu)特性，并用甲基橙溶液的光催化脫色反應(yīng)研究了在高壓汞燈條件下考察了不同醇水比和負(fù)載次數(shù)對(duì)光催化效率的影響。實(shí)驗(yàn)部分2.1鎳網(wǎng)預(yù)處理取一個(gè)100ml的燒杯，將鎳網(wǎng)置于燒杯中，加入10%NaCO溶液直至浸過(guò)鎳網(wǎng)，并于60°C水浴加23熱20min。加熱結(jié)束后，把廢液倒出，加入蒸餾水2-3次，直至測(cè)得洗滌液的pH值接近中性。將鎳網(wǎng)取出，在烘箱中干燥，備用。2.2TiO2溶膠的制備中，加入60ml無(wú)水乙醇攪拌混合均勻，配制成A溶液。取25.5ml無(wú)水乙醇1.5ml蒸餾水于分液漏斗混合均勻，用加入1ml5mol/LHNO制成B液，在磁力3攪拌器劇烈攪拌下將B液以1滴/s的速率緩緩加入到A液中，持續(xù)攪拌，直至溶液滴完。使鈦酸丁酯均勻水解，并通過(guò)進(jìn)一步交聯(lián)、支化形成溶膠。鎳網(wǎng)負(fù)載TiO2用浸漬-提拉法實(shí)現(xiàn)鍍膜，即把經(jīng)過(guò)清潔處理的高純度鎳網(wǎng)浸入所配溶膠中，浸漬時(shí)間30s以上，以緩慢速度提拉成膜，自然狀態(tài)下干燥、凝膠后放入爐中100°C保溫5min，根據(jù)提拉次數(shù)不同，重復(fù)多次以改變膜的厚度，，最后一次成膜溫度為450C，升溫為2~3°C/min，保溫30min。設(shè)計(jì)醇水比例對(duì)照組如表1所示，將B液中無(wú)水乙醇與蒸餾水按表中各組比列混合，使V+V=27ml。重復(fù)2.2步驟，制12組別無(wú)水乙醇/mlW)蒸餾水/mlW)第一組26.20.8第二組25.81.2第三組25.5.1.5第四組25.21.8第五組25.02.0第六組24.82.2備成不同醇水比例下的TiO溶膠。2表格1醇水比組Table1Differentproportionofethanolandwater局限于薄膜催化劑的晶相結(jié)構(gòu)［6~9］。泡沫鎳網(wǎng)是“多稱(chēng)取15g(0.025mol)鈦酸丁酯于125ml錐形瓶2.5負(fù)載次數(shù)對(duì)照組分別將鎳網(wǎng)提拉最佳醇水比2.0ml水1次、2次、3次、4次、5次，研究膜厚度對(duì)光催化性能的影響2.6樣品表征樣品的晶相結(jié)構(gòu)采用北京普析通用儀器有限責(zé)

顯的FS峰，峰強(qiáng)由提拉次數(shù)分別為0、5、2、1、3、4逐漸降低，表明電子-空穴對(duì)的復(fù)合率依次減小，將導(dǎo)致更高的量子效率。由結(jié)果看出，提拉3到4次具有較好的活性，在鎳表面形成較穩(wěn)定均勻的Ti-O-Ni表面結(jié)構(gòu)。timetimestimestimestimes180：timetimestimestimestimes180：160「140_120_e100■e80_60-40：20一0300350400450knm圖2不同醇水比樣品的XRD譜圖Fig.2XRDspectraofdifferentratiosofethanoltowater圖2為不同醇水比樣品的XRD譜圖。在TiO2的仸公司的MSAL_XD2型X射線衍射儀分析；采用美國(guó)Nicolet510PFT-IR紅外光譜儀測(cè)定樣品的紅外光譜；樣品的熒光光譜采用日本島津公司RF-530XPC型熒光分光光度計(jì)測(cè)定。2.7降解甲基橙取1ml1g/L甲基橙溶液，稀釋到1L水中，取600ml水溶液做光催化降解甲基橙，實(shí)驗(yàn)采用125W高壓汞燈作為光源，將5塊76mmx25mm鎳網(wǎng)固定在水槽壁上，吸附平衡30min后每隔10min取一次樣，共六次。離心分離除去催化劑粉末后，取上層清液在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上于波長(zhǎng)462nm處測(cè)試其吸光度，并計(jì)算甲基橙光降解率(A-A)/A。0結(jié)果與討論3.1FS分析圖1為不同提拉次數(shù)TiO/Ni的熒光光譜圖。一2般認(rèn)為熒光峰是由電子-空穴復(fù)合引起的，峰越弱活性越高。由圖1可知，不同樣品呈現(xiàn)出相似的FS光譜,在波長(zhǎng)為340-450nm范圍內(nèi)光催化劑TiO2/Ni表現(xiàn)出連續(xù)的的發(fā)光信號(hào)，且在370nm附近出現(xiàn)明圖1不同提拉次數(shù)樣品FS譜圖Fig.1FSspectraofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes3.2XRD分析

XRD譜圖中，20約25.2°處的衍射峰是銳鈦礦的101面特征峰，圖2中29=25.2°的衍射峰與銳鈦礦型二氧化鈦吻合，說(shuō)明不同醇水比條件下制備的樣品均為銳鈦礦。蒸餾水量為2.0mI時(shí)，峰強(qiáng)較低，峰較寬，（可以由謝樂(lè)公式平均晶粒大小計(jì)算粒徑），粒徑也會(huì)相對(duì)較小[10]，一般顆粒越細(xì)，其比表面積越大，易于吸收光，其光催化活性也應(yīng)較大。3.3IR分析圖3和圖4為不同樣品的紅外光譜圖。由圖可見(jiàn)，樣品在1000cm-i到500cm-i出現(xiàn)寬強(qiáng)峰，是TiO?晶體和表面的Ti-O鍵伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰。在3400cm-i左右有弱吸收峰，是樣品吸附水分形成OH的緣故。圖4摻水2.0ml樣品的IR譜圖Fig.4IRspectraofTiO/Nipreparedwith2.0mlwater紫外-可見(jiàn)漫反射光譜分析125times124times3times2timesi3times6L200300400九/nm500600圖5不同提拉次數(shù)DRS光譜圖3提拉三次樣品的IR譜圖Fig.3IRspectraofTiO2/NiwiththreedippingtimesFig.5DRSofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes圖6不同醇水比DRS光譜Fig.6DRSofTiO2/Niwithdifferentratiosofethanoltowater圖5~63times6L200300400九/nm500600圖5不同提拉次數(shù)DRS光譜圖3提拉三次樣品的IR譜圖Fig.3IRspectraofTiO2/NiwiththreedippingtimesFig.5DRSofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes圖6不同醇水比DRS光譜Fig.6DRSofTiO2/Niwithdifferentratiosofethanoltowater圖5~6所示為不同制備條件的鎳網(wǎng)納米二氧化3.5光催化性能圖7為不同水量對(duì)光催化性能的影響。加入2ml水具有最高催化活性，降低水量，催化活性快速下降，增加水量，催化活性略為降低。計(jì)算表明，2ml水與15g鈦酸四丁酯物質(zhì)的量之比約為4:1,即恰好使鈦酸四丁酯剛好水解為T(mén)iO所需的水量。水量太2低，水解不徹底，催化活性不夠；水量過(guò)高，則新

制溶膠的凝膠速度加快，內(nèi)部過(guò)度締合，不利于提

拉過(guò)程中均勻吸附在鎳網(wǎng)表面從而影響TiO與鎳網(wǎng)2表面進(jìn)行交聯(lián)締合，形成均勻穩(wěn)定的薄膜。圖7不同摻水量樣品的c/c0-t圖Fig.5c/c-tpatternsofTiO2/Niwithdifferentwater

content圖8為不同提拉次數(shù)對(duì)光催化性能的影響。從圖看出，負(fù)載次數(shù)小于3次時(shí)具有較好的催化活性，但熒光光譜顯示提拉次數(shù)為3、4次表現(xiàn)為較低的電子-空穴對(duì)的復(fù)合率，有利于形成較穩(wěn)定均勻的Ti-O-Ni表面結(jié)構(gòu)。這主要是由于，提拉一到兩次，鎳表面吸附量較少，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)較少，湮滅時(shí)產(chǎn)生較弱的峰強(qiáng)，但仍表現(xiàn)為金屬-TiO締合的2高催化活性。當(dāng)提拉次數(shù)過(guò)多時(shí)，膜比較厚，其光學(xué)性能主要表現(xiàn)為銳鈦礦表面的催化作用，不具備與金屬表面結(jié)合的更高催化性能。因此，選取提拉3次是最佳條件。圖8不同提拉次數(shù)樣品的c/c0-t圖Fig.8c/c-tpatternsofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes結(jié)論（1）本實(shí)驗(yàn)中最佳醇水比是12.5:1，摻水量過(guò)高過(guò)低均會(huì)降低催化劑光催化活性。（2）負(fù)載次數(shù)為3較好，1和2次太薄會(huì)對(duì)薄膜的晶型形成不利，薄膜過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大不利于光催化反應(yīng)。（3）經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鎳網(wǎng)負(fù)載二氧化鈦光催化劑的光降解率達(dá)到80%以上，光催化活性比較高，研究?jī)r(jià)值較高。參考文獻(xiàn):[1]SopyanW.M.,MurasawaS.,HashimotoK.etal..J.Photochem.Photobiol.A[J],1996,98:79-82[2]VorontsovA.V.,SavinovE.V.,DavydovL.etal..Appl.Catal.B[J],2001,32:11-24[3]WangChuan-Yi（王傳義）,LiuChun-Yan（劉春艷），ShenTao（沈濤）.Chem.J.ChineseUniversities（高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)）[J],1998,19（12）:2013-2019[4]YuJG,ZhaoXJ,ZhaoQN.EffectofsurfacestructureonphotocatalyticactivityofTiO2thinfilmspreparedbysol2gelmethod[J].ThinSolidFilms,2000,379（1）:7214.[5]張劍平,孫召梅，施利毅，等.負(fù)載型TiO2光催化薄膜結(jié)構(gòu)控制及光催化活性[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2005,20（5）:1243-1249.[6]YuJia-Guo（余家國(guó)）,ZhaoXiu-Jian（趙修建）.Chem.J.ChineseUniversities（高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)）[