表征及光催化性能测试

实验78　纳米TiO₂的制备、表征及光催化性能测试

实验目的

掌握溶胶－凝胶法制备纳米材料的方法；掌握纳米材料的结构表征方法；掌握光催化反应的测定方法。

实验原理

纳米TiO₂是目前应用最广泛的一种纳米材料，由于其表面的电子结构及晶体结构与块状形态不同，导致其具有特殊的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等特性，因而具有一系列优异的物理化学性质，使其在很多方面得到广泛的应用。特别在环境领域，由于纳米TiO₂具有生物无毒性、光催化活性高、无二次污染等特点，使其成为新兴的环保材料。在大于其带隙能的光照条件下，TiO₂光催化剂不仅能降解环境中的有机污染物生成CO₂和H₂O，而且可氧化除去大气中低浓度的氮氧化物NO_x和含硫化合物H₂S、SO₂等有毒气体。目前纳米TiO₂作为光催化剂已得到了广泛的研究和应用。

本实验采用溶胶－凝胶法制备纳米TiO₂，对其进行结构表征，并测试其光催化性能。

实验用品

仪器　恒温磁力搅拌器；箱式电阻炉；电热恒温干燥箱；离心机；X射线粉末衍射仪；透射电子显微镜；差热仪；紫外－可见分光光度计；烧杯；坩埚；容量瓶；移液管等。

试剂　钛酸丁酯；无水乙醇；浓硝酸；对硝基苯胺等。

实验步骤

1.纳米TiO₂粉体的制备

在100mL烧杯中加入6mL蒸馏水和58mL无水乙醇，搅拌混合均匀，用硝酸调节pH＝4，记为溶液A。在50mL烧杯中，加入2mL无水乙醇和2mL钛酸丁酯搅拌混合均匀，记为溶液B。在剧烈搅拌下，向溶液A中滴加溶液B；持续搅拌1h至出现白色溶胶，停止搅拌，静置陈化，封口；放置5天后，形成半透明的白色溶胶，放进烘箱，在110℃下烘干4h，转移至坩埚中，放入箱式电阻炉，升温30min至500℃，焙烧4h；冷却后，在研钵中研成细粉。

2.结构表征

（1）热分析实验（TG－DTA）：80℃烘干后的TiO₂粉体的热稳定性实验在差热仪上进行。以α－Al₂O₃为标样，载气为N₂，流速为40mL·min^－1，升温速度为10℃·min^－1。在室温条件下，以载气吹扫30min后，在20～900℃范围内程序升温测试。

（2）X射线衍射（XRD）：使用Cu的Kα辐射源，入射波长为0.15406nm，X射线管的工作电压和电流分别为36kV和20mA。将粉末样品于载玻片上加压制成片状。扫描范围（2θ）5°～75°。

（3）高分辨电镜（HRTEM）：工作电压为200kV。

3.光催化性能测试

（1）准确称取0.0346g对硝基苯胺，用400mL蒸馏水加热溶解，然后转移至500mL容量瓶，稀释至刻度；再用移液管分别量取2.00mL、4.00mL、6.00mL、8.00mL、10.00mL至250mL容量瓶中，稀释至刻度，标号为1、2、3、4、5，作为实验用液。

（2）标准曲线和空白曲线的绘制。取上面配制好的5种溶液，以蒸馏水作为参照，用紫外－可见分光光度计在波长380nm处测其吸光度。以吸光度A为纵坐标，以溶液浓度c为横坐标作出标准曲线。

空白实验以5号液为标准，在没有TiO₂光催化剂存在的条件下，在紫外灯照射下，测定对硝基苯胺溶液的吸光度随照射时间的变化。

（3）光催化性能的测试。称取两份50mg催化剂分别放入两个100mL烧杯中，其中一份加50mL标号为5的实验用液，记为A；另一份加入50mL蒸馏水，记为B。置于磁力搅拌器上搅拌，用300W紫外灯垂直照射（距离液面约10cm）。每隔30min，取出少许溶液，放入离心机内以4000r·min^－1速度离心，然后取中层清液。A为待测液，B为参照液，用紫外－可见分光光度计在波长380nm处测其吸光度。

思考题

（1）影响纳米颗粒大小的因素有哪些？

（2）查阅制备纳米材料的方法，并总结比较其优缺点。

（3）本实验系统的反应机理如何？