溶胶TiO2讲义及实验处理结果.doc

TiO2溶胶的制备及其光催化性能 一、实验目的 1.掌握水解法制备的； 2.掌握多相光催化反应的催化活性评价方法； 3.掌握紫外分光光度计的测试原理 二、 1.光催化反应原理 自从1972年日本学者Fujishima和Honda在n型半导体TiO2单晶电极上实现了水的光电催化分解制氢气以来，多相光催化技术开始引起世界各行各业科技研究者的极大关注。半导体多相光催化技术作为一种环境友好型的新型催化技术，在环境治理、新能源开发以及有机合成等领域都有着广泛的应用。 TiO2是n型半导体，根据固体能带理论，TiO2半导体的能带结构是由一个充满电子的低能价带(valence band，V.B.)和空的高能导带(conduction band，C.B.)构成。价带和导带之间的不连续区域称为禁带(禁带宽度Eg)。TiO2(锐钛矿)的Eg=3.2 eV，相当于387 nm光子的能量。当TiO2受到波长小于387 nm的紫外光照射时，处于价带的电子就可以从价带激发到导带(e-)，同时在价带产生带正电荷的空穴(h+)当光生电子和空穴分别扩散到催化剂表面时，和吸附物质作用后会发生氧化还原反应。其中空穴是良好的氧化剂，电子是良好的还原剂。大多数光催化氧化反应是直接或间接利用空穴的氧化能力。空穴一般与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的氢氧自由基OH·，它能够无选择性氧化多种有机物并使之彻底矿化，最终降解为CO2、H2O等无害物质。而光生电子具有强的还原性可以还原去除水体中的金属离子。→ h+ + e- h+ + e- → hv (或热量) H2O ( H+ + OH- OH- + h+ → ·OH H2O + h+ → ·OH + H+ 空气中游离氧的作用就犹如电子的受体，可形成超氧负离子·O2-，超氧负离子与羟基自由基一样也是强氧化还原活性的离子，它们可以氧化和降解半导体表面上甚至其附近的许多细菌和其他有机物。许多简单粘附在表面的有机物可被转化成水、CO2和其他无机小分子。 O2 + e- → ·O2- ·O2- + H+ → HO2· 2 HO2· → O2 + H2O2 H2O2 + ·O2- →· OH + OH- + O2 H2O2 + hv → 2· OH 有机物 + · OH + O2 → CO2 + H2O + 其他产物 2. 溶胶-凝胶法制备TiO2的原理 Ti(OR)4 + nH2O → Ti(OR)4-n (OH)n + n C4H9OH (1) 2 Ti(OR)4-n (OH)n→ (OH)n-1 (OR)4-n-Ti-O-Ti-(OR)4-n (OH)n-1 + H2O (2) 2 Ti(OR)4-n (OH)n →(OH)n-1 (OR)4-n-Ti-O-Ti-(OR)4-n-1 (OH)n + ROH (3) Ti(OR)4 + 2H2O → TiO2 + 4 HOR (4) -Ti-OR + AOH → -Ti-O-A + ROH (5) 在整个溶胶-凝胶法制备过程中，体系中水的浓度或者说使用量是一个需要严格关注的参数。低浓度的水、低的水解速率以及溶液中过量的烷氧基钛有利于Ti-O-Ti链的生长。Ti-O-Ti链的生长最终导致闭合的三维聚合骨架即高结晶度的TiO2纳米粒子的生成。而中等浓度的水则导致高的水解速率和大量的Ti(OH)4的生成。大量的Ti-OH的存在以及不完全的三维聚合骨架使得最终得到的TiO2表现为松散堆积的一次粒子。在有大量的水存在的条件下，Ti-O-Ti链最终能够实现高度的缩合，其构成的溶胶骨架在三维上高度发展形成密堆积的一次粒子。因此，必须对制备过程中水的滴加过程给予重视。 三、 1. 实验试剂 钛酸丁酯、无水乙醇、硝酸、亚甲基蓝、二次蒸馏水 磁力搅拌器、分光光度计、烧杯、烧瓶、移液管、容量瓶、滴管 四、实验步骤 TiO2溶胶制备过程：将3 ml钛酸丁酯溶解于25 ml无水乙醇中，然后逐滴加到带搅拌的30 ml蒸馏水中。滴加完毕后，在70 oC下继续搅拌45 min以确保水解完全。再加入80 ml浓度为0.04 mol/l的HNO3溶液，密封70 oC搅拌4 h。得到的半透明溶胶用水稀释至100 ml。 光催化活性测试TiO2溶胶做催化剂：取一定量的TiO2溶胶到100 ml烧杯中，用水稀释至50 ml，加入0.24 ml亚甲基蓝溶液(浓度2 mg/ml)，每隔一定时间取样用分光光度计在最大吸收波长(max=664 nm处进行检测0.24 ml