功能材料课程设计报告

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日二零一一年十二月镍网负载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採用溶胶-凝胶法在泡沫镍网上制备了TiO薄膜光催化剂•利用FS,XRD,IR,UV等手2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TiO薄膜的结构特性与其光催化活性进2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TiO薄膜,并具有最佳的2光催化活性.关键词：光催化；泡沫镍网；二氧化钛；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“°TiO粉末的固定化（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型TiO粉末⑷和薄2膜⑼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，具有最佳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。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，具有最佳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，利用溶胶凝胶法，在泡沫镍网(以下简称镍网)上制备了TiO薄膜(简写为TiO/Ni),由于镍网和TiO的界面扩222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。实验部分2.1镍网预处理取一个100ml的烧杯，将镍网置于烧杯中，加入10%NaCO溶液直至浸过镍网，并于60°C水浴加23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。2.2TiO2溶胶的制备中，加入60ml无水乙醇搅拌混合均匀，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/LHNO制成B液，在磁力3搅拌器剧烈搅拌下将B液以1滴/s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。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100°C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2~3°C/min，保温30min。设计醇水比例对照组如表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V+V=27ml。重复2.2步骤，制12组别无水乙醇/mlW)蒸馏水/mlW)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备成不同醇水比例下的TiO溶胶。2表格1醇水比组Table1Differentproportionofethanolandwater局限于薄膜催化剂的晶相结构［6~9］。泡沫镍网是“多称取15g(0.025mol)钛酸丁酯于125ml锥形瓶2.5负载次数对照组分别将镍网提拉最佳醇水比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

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：timetimestimestimestimes180：160「140_120_e100■e80_60-40：20一0300350400450knm图2不同醇水比样品的XRD谱图Fig.2XRDspectraofdifferentratiosofethanoltowater图2为不同醇水比样品的XRD谱图。在TiO2的仸公司的MSAL_XD2型X射线衍射仪分析；采用美国Nicolet510PFT-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1ml1g/L甲基橙溶液，稀释到1L水中，取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30min后每隔10min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)/A。0结果与讨论3.1FS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-空穴复合引起的，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340-450nm范围内光催化剂TiO2/Ni表现出连续的的发光信号，且在370nm附近出现明图1不同提拉次数样品FS谱图Fig.1FSspectraofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes3.2XRD分析

XRD谱图中，20约25.2°处的衍射峰是锐钛矿的101面特征峰，图2中29=25.2°的衍射峰与锐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锐钛矿。蒸馏水量为2.0mI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[10]，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。3.3IR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500cm-i出现宽强峰，是TiO?晶体和表面的Ti-O键伸缩振动和弯曲振动峰。在3400cm-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.4IRspectraofTiO/Nipreparedwith2.0mlwater紫外-可见漫反射光谱分析125times124times3times2timesi3times6L200300400九/nm500600图5不同提拉次数DRS光谱图3提拉三次样品的IR谱图Fig.3IRspectraofTiO2/NiwiththreedippingtimesFig.5DRSofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes图6不同醇水比DRS光谱Fig.6DRSofTiO2/Niwithdifferentratiosofethanoltowater图5~63times6L200300400九/nm500600图5不同提拉次数DRS光谱图3提拉三次样品的IR谱图Fig.3IRspectraofTiO2/NiwiththreedippingtimesFig.5DRSofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes图6不同醇水比DRS光谱Fig.6DRSofTiO2/Niwithdifferentratiosofethanoltowater图5~6所示为不同制备条件的镍网纳米二氧化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4:1,即恰好使钛酸四丁酯刚好水解为TiO所需的水量。水量太2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TiO与镍网2表面进行交联缔合，形成均匀稳定的薄膜。图7不同掺水量样品的c/c0-t图Fig.5c/c-tpatternsofTiO2/Niwithdifferentwater

content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，湮灭时产生较弱的峰强，但仍表现为金属-TiO缔合的2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锐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次是最佳条件。图8不同提拉次数样品的c/c0-t图Fig.8c/c-tpatternsofTiO2/Niwithdifferentdippingtimes结论（1）本实验中最佳醇水比是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.,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（王传义）,LiuChun-Yan（刘春艳），ShenTao（沈涛）.Chem.J.ChineseUniversities（高等学校化学学报）[J],1998,19（12）:2013-2019[4]YuJG,ZhaoXJ,ZhaoQN.EffectofsurfacestructureonphotocatalyticactivityofTiO2thinfilmspreparedbysol2gelmethod[J].ThinSolidFilms,2000,379（1）:7214.[5]张剑平,孙召梅，施利毅，等.负载型TiO2光催化薄膜结构控制及光催化活性[J].无机材料学报,2005,20（5）:1243-1249.[6]YuJia-Guo（余家国）,ZhaoXiu-Jian（赵修建）.Chem.J.ChineseUniversities（高等学校化学学报）[