二氧化硅包覆二氧化钛

目录 摘要……………………………………………………………………………………1 关键词……………………………………………………………………………........1 1前言………………………………………………………………………………….2 1.1  TiO2概况    3 1.1.1  TiO2简介    3 1.1.2  TiO2相关研究背景及意义    4 1.2Sio2 的概述    4 1.2.1简介    4 2  溶胶-凝胶法制备TiO2粉体………………………………………………………5 2.1 溶胶-凝胶法制备TiO2粉体机理    5 2.2  实验部分    5 2.2.1  主要试剂及仪器    5 2.2.2  实验步骤    6 2.3  结果与讨论    7 2.3.1  TiO2/ SiO2粉体制备过程实验操作要点讨论    7 3  SiO2并流中和法表面改性TiO2…………………………………………………8 3.1主要试剂及仪器    8 3.2实验步骤    8 4  SiO2包覆TiO2粉体的性能研究…………………………………………………9 4.1粒度分析    9 4.2红外光谱分析    10 4.3 XRD分析    10 4.4TiO2/SiO2粉体光催化降解甲基橙溶液    11 4.4.1 TiO2/SiO2粉体光催化降解甲基橙溶液机理    11 4.4.2主要试剂及仪器    13 4.4.3  实验步骤    14 4.4.4不同pH环境对将光催化降解的影响    14 4.4.5反应时间对光催化降解反应的影响    15 4.4.6不同粉体用量对光催化降解反应的影响    16 5结论………………………………………………………………………………...17 主要参考资料………………………………………………………………………..18 致  谢……………………………………………………………………………….19   SiO2包覆TiO2粉体的制备与性能研究           李恩龙       指导老师    王书媚 （湖南人文科技学院化学与材料科学系 湖南 娄底 417000） 摘要：以钛酸丁酯为先驱物,乙醇为溶剂,醋酸为螯合剂,采用溶胶-凝胶法制备超细TiO2粉体，以SiO2包覆材料用并流中和法对纳米TiO2粒子进行表面改性。采用红外光谱分析、激光粒度分析、XRD、紫外光谱仪对改性前后粉体的晶型和晶粒大小进行了表征并对改性效果进行评价。 关键词：溶胶-凝胶法 改性效果 TiO2  SiO2 Study on Photocatalytic Properties of TiO2/SiO 2Powders Li Enlong Teacher  Wang Shu-mei (Department of Chemistry and Material Science, Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Loudi, Hunan, 417000) Abstract: with butyl titanate as precursor, ethanol as solvent, acetic acid as chelating agent, was prepared by Sol - gel method of ultrafine titanium dioxide powder in Silicon dioxide coating material and stream and method of nano titanium dioxide particles surface modification. Using infrared spectrum analysis, laser particle size analysis, XRD, ultraviolet spectrometer of the modified powder crystal type and particle size were characterized and evaluated the effect of modified. Keywords : sol-gel modified effect  Silicon dioxide  Titania 1前言 纳米二氧化钛(TiO2)(有板钛型、锐钛型和金红石型3种晶体结构)是近年来发展较快的一种附加值很高的功能精细无机材料，因其具有粒径小，比表面积大，磁性强，光催化、吸收性能好，吸收紫外线能力强，表面活性大，热导性好，分散性好，以及良好的耐侯性、耐化学腐蚀性，抗紫外线能力强等特点，被广泛应用于感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、橡胶、塑料、皮革鞣制、高级轿车涂料等领域。但由于纳米级粒子的表面能高，容易发生团聚，形成一次粒子，在有机相中难以浸润和分散稳定性差等缺点，无法表现出令人满意的大比面积效应、体积效应及量子尺寸效应等纳米特性，因此为了改善纳米二氧化钛与有机体系的相容性及其在有机体系的分散稳定性，提高添加纳米二氧化钛的复合体系的综合性能，必须对其进行表面改性。通过改变纳米二氧化钛表面的物化性质，提高其与有机分子的相容性和结合力，拓宽其应用领域。 无机表面改性是在TiO2 粒子上形成一层均匀的无色或白色无机氧化物膜。主要目的是提高钛白粉的耐候性和化学稳定性。对二氧化钛颗粒的无机表面包覆通常采用SiO2、A12O3、 ZrO2 等多种金属氧化物,其中包覆SiO2 最为普遍。包硅后的纳米TiO2 在紫外吸收能力、光催化活性等方面得到很大的提高。本实验采用并流中和法,以锐钛矿型纳米TiO2粉体为载体,硅酸钠(Na2 SiO3 ) 为包覆剂,使用硫酸( H2 SO4 ) 调节p H 值,在纳米TiO2 表面包覆了致密的SiO2 膜。探索了SiO2包覆TiO2粉体的光催化活性，紫外屏蔽性能。 1.1  TiO2概况 1.1.1  TiO2简介 二氧化钛（Titanium Dioxide），白色固体或粉末状的两性氧化物，又称钛白。化学式TiO2，分子量79.9，熔点1830～1850℃，沸点2500～3000℃。自然界存在的二氧化钛有三种变体：金红石为四方晶体、板钛矿为正交晶体、锐钛矿为四方晶体。二氧化钛在水中的溶解度很小，但可溶于酸，也可溶于碱。 二氧化钛性质稳定，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。TiO2可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。TiO2性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑；它又具有锌白一样的持久性。TiO2还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。二氧化钛是世界上最白的东西，l克二氧化钛可以把450多平方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料——锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。TiO2又是一种应用广泛的半导体材料。它因成本低、稳定性好、对人体无毒性，并具有气敏、压敏、光敏以及强的光催化特性而被广泛应用到传感器、电子添料、油漆涂料、光催化剂等领域。 1.1.2  TiO2相关研究背景及意义 TiO2颗粒介电系数高、折射率高、色泽洁白、化学稳定性好,是一种理想的电子墨水用白色显色颗粒。但TiO2表面能高、亲水疏油,在有机介质中难以均匀分散,很容易形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体而聚沉;而且其表面电荷少,电泳性能差,导致响应时间加长。因此,对TiO2颗粒进行表面改性,提高其表面电荷及在有机溶剂中的分散稳定性,增加粒子与有机溶剂之间的相容性的研究很有意义。 1.2Sio2 的概述 1.2.1简介 2 sio2又称硅石。在自然界分布很广，如石英、石英砂等。白色或无色，含铁量较高的是淡黄色。密度2.2 ～2.66.熔点1670℃（鳞石英）；1710℃（方石英）。沸点2230℃，相对介电常数为3.9。不溶于水微溶于酸，呈颗粒状态时能和熔融碱类起作用。用于制玻璃、水玻璃、陶器、搪瓷、耐火材料、硅铁、型砂、单质硅等。 2  溶胶-凝胶法制备TiO2粉体 2.1 溶胶-凝胶法制备TiO2粉体机理 溶胶（Sol）：是具有液体特征的胶体体系，是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，不停地进行布朗运动的体系。凝胶(Gel)：凝胶是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网络骨架，骨架孔隙中充满液体或气体，凝胶中分散相含量很低，一般在1%~3%之间。溶胶-凝胶法是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合等化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。本实验以钛酸丁酯为先驱物,乙醇为溶剂,醋酸为螯合剂,制备纳米二氧化钛粉体，综合考虑水,醋酸,乙醇,温度以及滴加方式等工艺条件对钛酸丁酯水解的影响。采用溶胶- 凝胶法制备TiO2溶胶-凝胶,经450摄氏度煅烧处理后,得到TiO2 微粒;与其他制备相比,新方法具有快速简便,经济并且绿色环保等优点。发生的主要反应如下:                    Ti(OC4H9)4+4H2O→Ti(OH)4+4C4H9OH Ti(OH)4+Ti(OC4H9)4→2TiO2+4C4H9OH Ti(OH)4+Ti(OH)4→2TiO2+4H2O 2.2  实验部分 2.2.1  主要试剂及仪器 表2-1  主要试剂 试剂名称 纯度 生产厂家 钛酸丁酯 Ti(OBu)4 无水乙醇 C2H5OH 冰醋酸 CH3COOH 正丁醇 CH3(CH2)2CH2OH 化学纯 分析纯 分析纯 分析纯 天津市福晨化学试剂厂 衡阳市凯信化工试剂有限公司 湖南汇虹试剂有限公司 湖南汇虹试剂有限公司 表2-2  主要仪器 仪器名称 型号 出厂单位 集热式恒温加热磁力搅拌器 玻璃水银温度计 分析电子天平 电热鼓风干燥箱 马弗炉 DF-101B WXG MA110 101-2AB SX2 巩义市予华仪器有限责任公司 上海天垒仪器仪表有限公司 上海良平仪器仪表有限公司 天津市泰斯特仪器有限公司 鄄城福利科研仪器厂 2.2.2  实验步骤             （1）将30mL钛酸丁酯与36mL无水乙醇、18mL冰醋酸、60mL正丁醇充分混合，搅拌均匀，配置成A液，装入分液漏斗中备用；       （2）将36mL无水乙醇、18mL冰醋酸、7.5mL水充分混合，搅拌均匀，配置成B液。       （3）在充分搅拌的情况下，将A液缓慢成滴滴加到B液当中，反应过程中滴加冰醋酸控制pH为4左右；                           图2-1  粉体制备实验装置示意图       （4）配比完继续搅拌1h并在放置一段时间，获得均匀透明的溶胶（带黄色）；       （5）在25℃下静置1d-2d，形成凝胶后放入干燥箱60℃下干燥；       （6）干燥后在研钵中研磨，得干凝胶粉末；           （7）在450℃煅烧恒温2h（控制升温速度），得样品粉末； （8）用XRD、激光粒度分析、红外对样品粉体进行表征。 2.3  结果与讨论 2.3.1  TiO2/ SiO2粉体制备过程实验操作要点讨论 用溶胶-凝胶法制备TiO2粉体具有操作简便、条件控制简单、反应容易进行等优点，具体操作中仍需注意以下几个方面： （1）配制A、B液，以及二者混合时要在磁力搅拌、40℃左右恒温水浴条件下进行。液体环境时的均匀搅拌是实现反应物在分子水平上均匀混合的基础，实验过程中必须保证充分的搅拌，此外温度的控制对于溶胶-凝胶的形成有密切的联系。 （2）A、B液混合时要使A液通过滴液漏斗等缓慢滴加到B液当中，以保证反应物之间充分反应。 （3）pH是影响凝胶形成的重要因素，反应过程中保持溶液的pH为4左右为宜。 （4）经过静置形成凝胶后，可适度提升温度以提高干燥速率，研磨干燥凝胶粉末时要尽可能细。 （5）煅烧凝胶粉末时须控制好升温速度，保持10℃/min为宜直至450℃，煅烧结束后使粉体在炉内自然冷却。 3  SiO2并流中和法表面改性TiO2 3.1主要试剂及仪器 表3-1  主要试剂 试剂名称 纯度 生产厂家 二氧化钛   TiO2 六偏磷酸钠 [（NaPO3）6] 稀硫酸     H2SO4 硅酸钠     Na2SiO3 纳米级 分析纯 分析纯 分析纯 自制 湖南汇虹试剂有限公司 湖南汇虹试剂有限公司 湖南汇虹试剂有限公司 表2-2  主要仪器 仪器名称 型号 出厂单位 超声波清洗机 电子分析天平 电热鼓风干燥箱 马弗炉 集热式恒温加热磁力搅拌器 KQ2200DE MA110 101-2AB SX2 DF-101B 昆山市超市仪器有限公司 上海良平仪器仪表有限公司 天津市泰斯特仪器有限公司 鄄城福利科研仪器厂 巩义市予华仪器有限责任公司 3.2实验步骤 1.以自制的TiO2为原料配制成1.5%的悬浮液并加入适量的六偏磷酸钠作为分散剂，超声振荡30min。 2.将分散好的浆液加热到80~90℃，同时加入硅酸钠溶液和稀硫酸并调节PH值在8~10。 3.恒温陈化2h，在120℃下烘干，研磨得到样品。 4  SiO2包覆TiO2粉体的性能研究 4.1粒度分析 图4.1-1包覆前TiO2粉体的粒度 图4.1-2包覆后TiO2粉体的粒度 所以可以看出采用溶胶-凝胶法在液相环境下制备粉体颗粒，成核对最终产物的粒径分布起重要作用。未包覆组粉体的制备，化学反应速率快，温度变化对成核速率的影响并不显著，随着温度的升高，小粒子之间的碰撞加剧，颗粒聚集速率增大，同时粒子表面单分子外延和表面反应速率加快，从而使粒径增大，分布变宽。反应物的浓度越高，液相中粒子的数目浓度越大，粒子的聚集和表面反应速率越快，从而导致生成颗粒的粒径越大，粒径分布越宽。对于包覆组粉体，掺杂成分也会出现成核的现象，当掺杂成分的成核速率大于TiO2的成核速率时，会进入快速成核阶段，瞬间形成大量晶核，通过快速成核阶段以及随后的生长过程，此过程中小粒子生长较快而大粒子生长较慢，也正因如此得到了粒度比较均匀的产物。 4.2红外光谱分析 图4.2-1红外光谱图 从图中可以看出，谱线图在1652.40 cm-1处有强吸收峰，这是TiO2的O-Ti-O键的特征吸收峰，在1451.99cm-1处有强吸收峰，这是O-Si-O键的特征吸收峰，在1103.65cm-1处有吸收带，这是Ti-O-Sn的振动吸收引起的吸收带。 4.3 XRD分析 图4.3-1包覆前TiO2粉体的XRD光谱图 图4.3-2包覆后TiO2粉体的XRD光谱图 图4.3-1为包覆前TiO2粉体XRD图谱。通过对照粉末衍射卡（PDF），可以看到样品粉体衍射峰与锐钛型TiO2一致，表明制备出锐钛型TiO2产物；同时图谱中峰型尖锐，衍射强度高，说明产物晶型良好；其中2θ=25.4°处出现锐钛型TiO2特征衍射峰，除此之外并未发现其他物质的衍射峰，说明制备的产物纯正，基本无杂质。图4.3-2为包覆后的TiO2粉体XRD图谱。该组粉体的衍射峰形与包覆前粉体一致，基本没有发生衍射角度的偏移，未检测到掺杂物衍射峰，这表明包覆后TiO2粉体中掺杂物在分子水平上与TiO2进行了较好的混合且未改变TiO2晶体形态。 4.4TiO2/SiO2粉体光催化降解甲基橙溶液 4.4.1 TiO2/SiO2粉体光催化降解甲基橙溶液机理 当TiO2/SiO2粉体受到光照的辐射后，处于价带的电子就被激发到导带，使价带生成空穴（h+），空穴h+本身是强氧化剂，将吸附在TiO2/SiO2粉体颗粒表面的OH-和H2O分子氧化生成羟基自由基(·OH)、超氧离子基(·O2-)、(·OOH)自由基,这些氧化性很强的活泼自由基可以氧化周围的甲基橙分子，通过一系列的氧化过程，最终将甲基橙氧化成为CO2和H2O，完成对甲基橙的光催化降解。在这个过程中，由于甲基橙具有两种不同的结构，中性和碱性条件下为偶氮式结构，酸性条件下为醌式结构，所以光催化降解甲基橙存在两个不同的降解历程：偶氮式降解和醌式降解，在同一pH条件下，这两个历程都有可能发生。 图4.4.1-1  甲基橙的偶氮式降解 图4.4.4-2  甲基橙的醌式降解 4.4.2主要试剂及仪器 表4.4.2-1  主要试剂 试剂名称 纯度 生产厂家 甲基橙 C14H14N3NaO3S 硫酸 H2SO4 氢氧化钠 NaOH 分析纯 分析纯 分析纯 沈阳市试剂三厂 衡阳市凯信化工试剂有限公司 湖南汇虹试剂有限公司 表4.4.2-2  主要仪器 仪器名称 型号 出厂单位 可见分光光度计 手提式紫外灯 集热式恒温加热磁力搅拌器 电接点玻璃水银温度计 电动离心机 分析电子天平 WFJ-7200 WFH-204B DF-101B WXG 80-1 MA110 尤尼柯（上海）仪器有限公司 上海精科实业有限公司 巩义市予华仪器有限责任公司 上海天垒仪器仪表有限公司 江苏金华仪器厂 上海良平仪器仪表有限公司 4.4.3  实验步骤 取待降解的甲基橙溶液于烧杯中，加人一定量的样品粉体，然后将烧杯放入如图3-2-1所示的光催化降解实验装置内，调节一定pH，控制适当温度（30℃），同时调节磁力搅拌速度，在充分搅拌条件下，使样品粉体在溶液中呈悬浮状态并均匀分布，反应一段时间后取上层反应溶液离心分离，取上层清液用WFJ-7200型可见分光光度计于464nm处测其吸光度，对照反应前溶液吸光度计算降解率。计算公式如下： η = ( A1 - A2 ) / A1 × 100% 其中：η——降解率；A1——反应前溶液的吸光度；A2——反应后溶液的吸光度。 图4.4.3-1  光催化降解实验装置示意图 4.4.4不同pH环境对将光催化降解的影响 取50mg/L甲基橙溶液200mL，分别用酸液和碱液调节pH为2、4、7、9、11，并各加入粉体100mg，于光催化降解反应实验装置中以紫外光照射，光催化反应2min，测反应前后溶液吸光度，计算降解率。 图4.4.4-1 PH值 2 4 7 9 11 降解率/% 52.4 58.1 46.9 43.3 39.0 不同溶液环境pH对光催化降解率有影响。甲基橙溶液在酸性溶液环境中的降解率要明显高于在中性、碱性溶液环境中的降解率，即酸性溶液环境有利于TiO2/SiO2粉体对甲基橙溶液的光催化降解，尤其在pH=4时降解率达到58.1%最高。 甲基橙在酸性条件下为醌式结构，而在中性、碱性条件下为偶氮式结构。相比于偶氮式结构，醌式结构的甲基橙更容易发生脱碳降解反应，因此在平行反应条件控制下，酸性条件下甲基橙的降解率要高于中性、碱性条件下的降解率。因此，在实际处理的过程中，应当适当调节反应溶液的pH值，提高光催化反应的效率，降低处理成本。 4.4.5反应时间对光催化降解反应的影响 取50mg/L甲基橙溶液200mL, 调节溶液pH为4，加入TiO2/SiO2粉体100mg，于光催化降解反应实验装置中以254nm紫外光照射，发生光催化反应，每间隔30min测一次反应溶液吸光度，并计算降解率。 图4.4.5-1 时间/min 30 60 90 120 150 180 降解率/% 58.4 59.6 60.3 60.5 60.5 60.6 在光催化降解反应过程初始阶段，溶液中的甲基橙分子通过气液界面扩散到催化剂粉体颗粒表面，并被粉体表面的活性中心吸附，但没有降解。在接下来的反应阶段，甲基橙的反应速率非常快，30min降解率就达到58.4%。一方面是因为催化剂粉体具有很好的吸附作用，把甲基橙吸附在其表面，但没有完全降解；另一方面，也是因为掺杂SiO2的TiO2粉体对甲基橙具有较好的处理效果。随着反应的进行，光照120min后降解率为62.1%，甲基橙降解率虽有所提升；但是幅度较小。根据文献资料，有机物的光降解分为直接光降解和间接光降解，后者会生成分子量较小的中间体。本实验中，随着光照时间的增加，溶液中的甲基橙逐渐被吸附降解，浓度随之降低，中间体浓度升高，当超过120min后，可能有中间体与甲基橙形成竞争，使得甲基橙降解率趋于缓和。在实际应用中，增加反应时间在一定程度上是会提高粉体的光催化降解的降解效率，但同时也会增加处理成本，因此需要选定适中的光催化反应时间。 4.4.6不同粉体用量对光催化降解反应的影响 取50mg/L甲基橙溶液200mL5组，调节溶液pH为4，分别加入TiO2/SiO2粉体50mg、100mg、150mg、200mg、250mg，于光催化降解反应实验装置中以464nm紫外光照射，光催化反应150min，测反应前后溶液吸光度，计算降解率。 图4.4.6-1 用量/mL 50 100 150 200 250 降解率/% 52.3 53.2 54.5 54.1 53.8 不同TiO2/SiO2粉体用量对光催化降解率有影响。随着TiO2/ SiO2粉体用量的增加，甲基橙的降解率逐渐提高，当粉体用量为150mg时降解率达到最高，此后随着粉体用量的继续增加，降解率反而逐渐降低。 根据光催化反应的机理，随着TiO2/ SiO2粉体投加量的逐渐增加，由紫外光激发产生的光生电子与光生空穴对数量也会逐渐增加，从而产生的自由基也会增多，甲基橙的降解率随之提高。但粉体用量增大到一定程度后，由于紫外光所提供的能量有限，即使再增加粉体的投加量，也不会产生更多的光生电子与光生空穴。投加量过高，反而会因颗粒对光散射作用而损失光能，从而减少光催化反应活性物质的生成，致使甲基橙溶液的降解率降低。因此，加入的TiO2/ SiO2粉体需要适量才能取得较好的光催化效果。 5结论 采用溶胶-凝胶法以钛酸丁酯、硝酸锌、无水乙醇、冰醋酸、正丁醇为原料，制备出了微米级的TiO2/SiO2粉体。并通过实验观察发现，另外溶液的pH及温度也会影响溶胶、凝胶的形成。通过TiO2/SiO2粉体与甲基橙溶液发生光催化降解反应，进而用分光光度法得到降解率，探讨了溶液环境pH、光催化降解反应光照时间、TiO2/SiO2粉体用量等因素对光催化降解率的影响。通过实验结果分析可知，溶液环境pH为4、TiO2/SiO2粉体用量为150mg、溶液浓度为10mg/L时的光催化降解率较平行条件组要高，最佳条件下的光催化降解率最大时为60.6%，表现出相对较好的光催化活性。同时，相对较长反应时间有利于提高降解率。 主要参考资料 [1] 臧丹炜，杨亚君 纳米二氧化钛催化剂的制备及应用[J].天津化工,2009,23(05):1-4 [2] 王景芸 掺锌纳米二氧化钛光催化降解亚甲基蓝研究[J]. 应用化工,2009,38(10):1482-1484 [3] 洪新华，李保国 溶胶—凝胶方法的原理和应用[J]. 天津师范大学报(自然科学版)， 2001,21(01):5-8 [4] 王娟，李晨，徐博 溶胶—凝胶法的基本原理、发展及应用现状[J]. 化学工业与工程,2009, 26(03):273-277 [5] 王艳芹，张莉 掺杂过渡金属离子的二氧化钛复合纳米粒子光催化剂[J] 高等学校化学学报,2000(06),958-960 [6] 周时风，洪樟连，王民权 二氧化钛光催化降解有机污染物的机理和影响因素[J] 材料学报,2004,18(07):80-82 [7] Thian E S, Loh N H, Khor K A,et al. 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