功能材料课程设计报告

1、功能材料课程设计报告设计题目：镍网负载TiO2光催化剂制备及其光催化活性研究姓名：蔡志鸿学号：200830750101班级：200级材料化学1班 时间： 2011年12月8日二零年十二月镍网负载TiO光催化剂制备及其光催化活性研究2蔡志鸿黄伟钊（华南农业大学理学院应用化学系，广东广州510642）摘要：以钛酸正丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法在泡沫镍网上制备了 TiO2薄膜光催化剂.利用FS,XRD,IR,UV等手 段研究了薄膜的表面及结构特性.在高压汞灯照射的反应体系中，利用甲基橙降解试验研究了泡沫镍网负载TiO2薄膜的光催化特性，考察了不同醇水比和负载次数对光催化效率的影响.将TiO2薄膜的结

2、构特性与其光催化活性进 行了关联.结果表明，醇水比为12.5:1,提拉3次可制得具有多孔结构和结晶完好的锐钛矿型TiO2薄膜，并具有最佳的 光催化活性.关键词：光催化；泡沫镍网；二氧化钛；甲基橙Study on preparation of Tiq photocatalysts loaded on nickel netsand their photocatalytic activityCAI Zhi-hong, HUANG Wei-zhao, HUANG Ming-xin, ZHOU Ying-yi, LU Gui-lin(Department of Applied Chemistry, Co

3、llege of Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: With butyl acetate titanate as raw material, Tifilms loaded on foam nickel (TiO2-Ni) were prepared by sol-gel method. The surface and the structural characteristics were investigated using XRD, IR, FS and UV. T

4、he photocatalytic activities of TiO2-Ni were investigated by the degradation of methyl orange. The effect of preparation factors, such as ratio of alcohol to water and dipping times, was examined on the catalytic properties of TiO2-Ni. The results show that TiO2-Ni prepared with ratio of alcohol to

5、water 12.5:1 and dipping 3 times, which had the pore structure and anatase phase TiO2, had the best photocatalytic activity.Key words: Photocatalytic; Nickel nets; Titanium dioxide; Methyl orange light catalyzing; Characterization1前言TiO作为光催化型环境净化催化剂具有活性高、2安全、应用范围广和无污染等优点，是最具有开发前途的绿色环保型催化剂之一响。TiO粉末的固

6、定化 （负载）一直是实际应用中的技术关键，利用各种载 体和开发不同负载制备技术对负载甄O2粉末4和薄 膜5光催化剂的规模化生产和应用十分重要。目前国 内外对TiO薄膜光催化剂进行了很多研究，但大都孔金属”家庭中的后起之秀，是经过高科技深加工， 将金属镍制成泡沫海绵状，具有最隹三维全贯通网 孔结构。镍骨架中空并以冶金状态彼此交连，孔隙 度高达96-98，体密度仅为镍的五十分之一，比表 面积极大，仍保持镍的良好理化性质，因而全新结 构的优异特性使之成为功能型新材料，具有较为宽 阔的应用领域。本文以钛酸正丁酯为原料，利用落 胶凝胶法，在泡沫镍网（以下简称镍网）上制备了 TiO2薄膜（简写为TiO/N

7、i），由于镍网和TiO2的界面扩 散使薄膜能够紧密结合，利用镍网可以在一定程度 上加大光催化剂的有效比表面积和降低气阻。利用 FS,XRD,IR,UV等技术研究了薄膜的表面及结构特性， 并用甲基橙溶液的光催化脱色反应研究了在高压汞 灯条件下考察了不同醇水比和负载次数对光催化效 率的影响。2实验部分2.1镍网预处理取一个100m 的烧杯，将镍网置于烧杯中，加 入10%Na2CO3溶液直至浸过镍网，并于60r水浴加 热20min。加热结束后，把废液倒出，加入蒸馏水 2-3次，直至测得洗涤液的pH值接近中性。将镍网 取出，在烘箱中干燥，备用。2.2 TiO2溶胶的制备中，加入60m l无水乙醇搅拌混

8、合均匀，配制成A溶 液。取25.5ml无水乙醇1.5ml蒸馏水于分液漏斗混 合均匀，用加入1ml5mol/L HNO3制成B液，在磁力 搅拌器剧烈搅拌下将B液以1 滴/，的速率缓缓加入 到A液中，持续搅拌，直至溶液滴完。使钛酸丁酯 均匀水解，并通过进一步交联、支化形成溶胶。2.3镍网负载TiO2用浸渍-提拉法实现镀膜，即把经过清洁处理的 高纯度镍网浸入所配溶胶中，浸渍时间30s以上，以 缓慢速度提拉成膜，自然状态下干燥、凝胶后放入 炉中100C保温5min，根据提拉次数不同，重复多 次以改变膜的厚度，最后一次成膜温度为450C， 升温为 23C/min，保温 30 min。2.4设计醇水比例对

9、照组如表1所示，将B液中无水乙醇与蒸馏水按表 中各组比列混合，使V1+V27ml。重复2.2步骤，制 备成不同醇水比例下的TiO2溶胶。组别无水乙醇/ml蒸馏水/ml叫第一组26.20.8第二组25.81.2第三组25.5.1.5第四组25.21.8第五组25.02.0第六组24.82.2表格1醇水比组Table 1 Different proportion of ethanol and water局限于薄膜催化剂的晶相引妃9 。泡沫镍网是“多称 15g （ 0.025mol ）钛酸丁酯于125ml锥形瓶2.2ml0.8ml1000001.5ml500001.2ml1.8ml210203040

10、5060708020/ O2.5负载次数对照组分别将镍网提拉最隹醇水比2.0ml水1次、2次、3次、4次、5次，研究膜厚度对光催化性能的影响 2.6样品表征样品的晶相结构采用北京普析通用仪器有限责 任公司的MSAL_XD2型X射线衍射仪分析；采用美 国Nicolet 510P FT-IR红外光谱仪测定样品的红外光 谱；样品的荧光光谱采用日本岛津公司RF-530XPC 型荧光分光光度计测定。2.7降解甲基橙取1ml 1g/L甲基橙溶液，稀释到1L水中,600ml水溶液做光催化降解甲基橙，实验采用125W 高压汞灯作为光源，将5块76mmx25mm镍网固定 在水槽壁上，吸附平衡30 min后每隔1

11、0 min取一次样，共六次。离心分离除去催化剂粉末后，取上层 清液在紫外-可见分光光度计上于波长462nm处测 试其吸光度，并计算甲基橙光降解率(A-A)/Ao03结果与讨论3.1 FS分析图1为不同提拉次数TiO/Ni的荧光光谱图。一2般认为荧光峰是由电子-空穴复合弓|起的，峰越弱活 性越高。由图1可知，不同样品呈现出相似的FS光 谱，在波长为340- 450 nm范围内光催化剂TiO/Ni 表现出连续的的发光信号，且在370nm附近出现明 显的FS峰，峰强由提拉次数分别为0、5、2、1、3、 4逐渐降低，表明电子-空穴对的复合率依次减小， 将导致更高的量子效率。由结果看出，提拉3到4 次具

12、有较好的活性，在镍表面形成较稳定均匀的 Ti-O-Ni表面结构。timetimestimestimestimes180；160140 -120 -n 100 n 8-6。-40；20一0300350400450B nm图1不同提拉次数样品FS谱图Fig. 1 FS spectra of TiO2/Ni with different dipping times3.2 XRD分析图2不同醇水比样品的XRD谱图Fig.2 XRD spectra of different ratios of ethanol towater图2为不同醇水比样品的XRD谱图。在TiO 2的XRD谱图中，20约25.2处的

13、衍射峰是锐钛矿的101 面特征峰，图2中2 e =25.2的衍射峰与统钛矿型二氧化钛吻合，说明不同醇水比条件下制备的样品均 为统钛矿。蒸馏水量为2.0ml时，峰强较低，峰较 宽，（可以由谢乐公式平均晶粒大小计算粒径）， 粒径也会相对较小no ，一般颗粒越细，其比表面积越 大，易于吸收光，其光催化活性也应较大。3.3 IR分析图3和图4为不同样品的红外光谱图。由图可 见，样品在1000cm-i到500 cm出现宽强峰，是TiO2 晶体和表面的Ti-O键伸缩振动和弯曲振动峰。在 3400 cm_i左右有弱吸收峰，是样品吸附水分形成OH 的缘故。图4掺水2.0ml样品的IR谱图Fig.4 IR sp

14、ectra of TiO /Ni prepared with 2.0 ml water3.4紫外可见漫反射光谱分析图3提拉三次样品的IR谱图Fig.3 IR spectra of TiO2/Ni with three dipping times图5不同提拉次数DRS光谱Fig.5 DRS of TiO2/Ni with different dipping times图6不同醇水比DRS光谱Fig.6 DRS of TiO2/Ni with different ratios ofethanol to water图56所示为不同制备条件的镍网纳米二氧化time / min.0.8ml:1.2ml:

15、1.5ml；1.8ml2.0ml钛光催化剂的紫外-可见漫反射光谱。反射率越高， 则被吸收利用的光能越少。图6对比不同掺水条件 及曲线图，2.0ml、2.2ml样品的漫反射律较低，即负 载在镍网上的统钛矿型纳米二氧化钛粒子光利用效 率较高，其光催化活性较好。图5中1、2、3次反 射率均较低且相差不大，且与光降解甲基橙溶液所 得结果一致，由此可知，其对可见光部分利用大大 提高，这对光降解有机物具有实际意义。3.5光催化性能图7为不同水量对光催化性能的影响。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，催化活性略为降低。计算表明，2ml 水与15g钛酸四丁酯物质的量之比约为

16、4:1,即恰好 使钛酸四丁酯刚好水解为叫所需的水量。水量太 低，水解不彻底，催化活性不够；水量过高，则新 制溶胶的凝胶速度加快，内部过度缔合，不利于提 拉过程中均匀吸附在镍网表面从而影响TiO2与镍网 表面进行交联缔合，形成均匀稳定的薄膜。1.0 .0.9 0.8 0.7 0.6 70 0.5 0.4 0.3 0.2 70.1 0.0 T 0102030405060图7不同掺水量样品的c/c0-t图Fig.5 c/co-t patterns of TiO2/Ni with different watercontent图8为不同提拉次数对光催化性能的影响。从 图看出，负载次数小于3次时具有较好的

17、催化活性， 但荧光光谱显示提拉次数为3、4次表现为较低的电 子-空穴对的复合率，有利于形成较稳定均匀的 Ti-O-Ni表面结构。这主要是由于，提拉一到两次， 镍表面吸附量较少，产生光生电子空穴对较少，湮 义时产生较弱的峰强，但仍表现为金属-TiO2缔合的 高催化活性。当提拉次数过多时，膜比较厚，其光 学性能主要表现为统钛矿表面的催化作用，不具备 与金属表面结合的更高催化性能。因此，选取提拉3 次是最隹条件。1.00.80.6G0C 0.40.20.00102030405060t / min图8不同提拉次数样品的c/c0-t图Fig.8 c/c0-t patterns of TiO2/Ni wi

18、th different dippingtimes4结论（1）本实验中最隹醇水比是12.5:1,掺水量过高过低均会降低催化剂光催化活性。（2）负载次数为3较好，1和2次太薄会对薄膜 的晶型形成不利，薄膜过厚会导致晶粒长大， 不利于光催化反应。（3）经实验验证镍网负载二氧化钛光催化剂的光 降解率达到80%以上，光催化活性比较高， 研究价值较高。参考文献：1 SopyanW. M. , M urasawa S. , Hashimoto K. et al. . J.Photochem. Photobiol. A J , 1996, 98: 79-822 Vorontsov A. V. , Savinov E. V. , Davydov L. et al. . App l.Catal. BJ , 2001,32: 11-243 Wang Chuan-Yi（王传义），L iu Chun-Yan （刘春艳），Shen Tao （沈 涛）.Chem. J. Chinese U niversities （高等学校 化学学报）J ,1998, 19 （12） : 2 013-2 0194 Yu J G, Zhao X J , Zhao Q N. Effect