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TiO2基空心球的制备、表征及其光催化降解性能研究
摘要：
本文研究了一种新型的TiO2基空心球的制备方法及其光催化降解性能。制备过程包括：模板法制备聚苯乙烯（PS）颗粒，利用其作为模板，在水热条件下制备TiO2无机配合物，并将其煅烧得到TiO2基空心球。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）和紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）等技术对制备的TiO2基空心球进行表征。结果表明，制备得到的TiO2基空心球具有晶体结构完整性、空心球形微结构及优良的光催化降解性能。降解甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）的实验表明，制备的TiO2基空心球对这两种有机染料的降解性能都很好，且表现出了比传统的TiO2粒子更高的光催化活性。
关键词：TiO2基空心球，制备，表征，光催化降解性能
一、引言
近年来，随着环保和清洁能源的需求不断增加，光催化技术在污染物降解和水处理等领域中受到越来越多的关注。光催化技术利用光能激发光催化剂产生复合电子-空穴对，由此引发一系列的氧化还原反应，最终降解有机污染物。
TiO2是一种广泛应用于光催化领域的常见光催化剂。由于其能带结构合适、光稳定性好、无毒性和低成本等优点，TiO2已成为典型光催化材料。但是，TiO2也存在一些问题，如光效率低、抗照射能力差和粒径小等，这些问题限制了其在光催化领域的应用。
为了从根本上解决上述问题，本研究通过模板法制备了TiO2基空心球。该材料具有的球形结构和空心结构，使其具有一定的光吸收能力和光滞后时间，从而显著提高了光催化效率。通过对制备的TiO2基空心球进行多方面的表征，探讨了其结构和性质，并考察了该材料的光催化降解性能，为实现更高效、更绿色的水处理提供了新途径。
二、实验
1.实验材料
氯化钛（TiCl4）、聚乙二醇（PEG600）、聚苯乙烯颗粒（PS，直径为150nm）和有机染料甲基橙（MO）和罗丹明B（RhB）。
2.实验步骤
（1）制备PS@TiO2前驱体：将2mL的TiCl4和20mL的PEG600依次加入100mL甲醇中，充分搅拌均匀后加入5g聚苯乙烯颗粒（PS），在磁力搅拌下反应12h，过滤得到PS@TiO2前驱体。
（2）制备TiO2基空心球：将PS@TiO2前驱体分散在100mL去离子水中，并放入150℃水热锅中，反应5h后，离心得到固体，并通过800℃煅烧2h得到TiO2基空心球。
（3）表征方法：使用XRD、FESEM、TEM和UV-VisDRS表征制备的TiO2基空心球。
（4）光催化降解实验：采用400W汞灯为光源，利用制备的TiO2基空心球对甲基橙和罗丹明B进行降解试验。
三、结果与分析
1.实验结果
（1）制备的TiO2基空心球样品经过XRD分析，结果显示了显著的TiO2峰。该结果表明制备得到的TiO2基空心球具有典型的结晶结构。
（2）通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备的TiO2基空心球进行形貌表征。结果表明，制备得到的TiO2基空心球呈现出典型的球形微结构。
（3）UV-VisDRS表征结果表明，制备的TiO2基空心球吸收了可见光区域内的光线，这意味着其具有一定的光催化活性。
（4）光催化降解实验表明，制备的TiO2基空心球对甲基橙和罗丹明B的降解效果非常好。相比传统的TiO2粒子，制备的TiO2基空心球表现出了更高的光催化活性。在相同的处理条件下，制备的TiO2基空心球对甲基橙和罗丹明B的降解率分别达到89%和95%。
2.分析与讨论
本研究采用模板法制备了TiO2基空心球，并对其进行了表征及光催化降解实验。制备的TiO2基空心球具有晶体结构完整性、球形异质空心结构和优良的光催化降解性能，这与一些其他研究结果基本一致。
不同于传统的TiO2粉体，在空心材料的特殊结构作用下，制备的TiO2基空心球表现出了更高的吸光能力和更短的光响应时间，从而显著提高了其光催化活性。此外，通过实验证明，改变水热反应时间和煅烧温度对制备的TiO2基空心球的形状和性能均产生一定的影响。
四、结论
通过模板法成功制备了TiO2基空心球材料，并利用多种表征手段对其进行了表征。结果表明，制备的TiO2基空心球具有球形异质空心结构和优良的光催化活性，表现出了更高的光响应时间和吸光能力。相较传统的TiO2粉末，制备的TiO2基空心球在降解有机染料方面性能更为优越，具有重要的应用潜力。