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二氧化钛纳米复合材料的制备及其光催化性能研究
摘要：
钛白粉作为一种重要的白色颜料及光催化材料，其应用范围非常广泛。然而，由于其颗粒大小较大，会影响其光催化性能。因此，本文采用溶剂热法，制备了一种二氧化钛纳米复合材料，并使用紫外-可见光谱仪、X射线衍射仪等技术对其进行了表征。结果表明，该复合材料中纳米颗粒的平均粒径约为20nm左右，具有较高的比表面积、片层结构和宽带隙结构。考察了该复合材料对罗丹明B的光催化降解性能，研究表明，该纳米复合材料的光催化性能优于纯二氧化钛材料，其降解效果的提升主要归因于盖层材料的增强吸收能力和其与纳米钛晶体的协同作用。
关键词：二氧化钛；纳米复合材料；催化性能；光催化；罗丹明B
I.引言
二氧化钛是一种常见的半导体材料，因其结构稳定、化学稳定性高、光催化性能优良等特点，在环境净化、太阳能电池等领域有着广泛的应用。然而，纯二氧化钛颗粒的大小和形态对其光催化性能有很大影响，直接影响其表面活性位及可用光谱范围。
为了克服纯二氧化钛的缺点，研究人员通过多种方法制备了一系列纳米复合材料来提高其光催化性能。其中一种比较常用的方法是将二氧化钛与其他物质复合，例如图像盐、碳、石墨烯等。这些复合材料可以在提高光催化降解速率的同时，改善二氧化钛的光催化性能和降解效果。
本文采用了溶剂热法制备了一种二氧化钛纳米复合材料，主要研究其光催化降解罗丹明B的性能，并对其结构和性质进行了表征。结果表明，该纳米复合材料具有很好的光催化性能，具有广泛的应用前景。
II.实验部分
1.材料及仪器
本实验中所需的二氧化钛、溶剂和罗丹明B等试剂均为分析纯级别。紫外-可见光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电镜等实验仪器均为实验室常用设备。
2.制备方法
本实验中所采用的制备方法是溶剂热法。将二氧化钛和所需的材料溶于适量的溶剂中制备为预体溶液，随后在氮气保护下在70-80℃的恒温培养箱中保温2小时，得到混合溶液。将混合溶液过滤并干燥，得到所需的复合材料。
3.表征方法
对制备的样品进行紫外-可见光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电镜等方法表征，包括材料结构、形貌、粒径及大小分布等参数。
4.光催化实验
将所制备的样品与罗丹明B混合，在紫外-可见光照射下进行催化降解实验，控制反应条件，记录反应过程中罗丹明B的吸光度，并计算出其催化降解效率。
III.结果与讨论
1.复合材料的结构和形貌表征
采用X射线衍射仪对制备的样品进行了表征，如图1所示。其中，a图为二氧化钛的XRD图谱，可以看到主要的峰位为（101）、（004）、（200）和（211）。而b图为所制备的二氧化钛纳米复合材料的XRD图谱，可以看到与纯二氧化钛相比，该复合材料的峰位明显变窄，且出现次要峰。这说明二氧化钛晶体的晶粒尺寸通过添加复合材料已经减小，表明所制备的复合材料为纳米复合材料。
图1.X射线衍射仪分析图
采用扫描电子显微镜和透射电镜对样品进行了形貌表征，如图2所示。从图片中可以看出，所制备的复合材料具有层状结构和纳米颗粒性质，平均粒径约为20nm左右。在复合材料中可见一些盖层物的存在，这些盖层物可以起到增强吸收能力和提高光催化效率的作用。
图2.SEM及TEM图
2.复合材料的光催化性能表征
在紫外-可见光谱仪下测试了样品的光谱性质，如图3所示。其中，a图为纯二氧化钛的吸收光谱，而b图和c图分别为所制备的二氧化钛纳米复合材料在不同比例下的吸收光谱。
从图中可以看到，所制备的复合材料对可见光的吸收呈现出较大的峰值，适用于可见光催化反应。盖层的添加可以有效地扩展光响应范围，进而提高光催化效率。
图3.光谱性质
最后，本文对该复合材料对罗丹明B的催化降解性能进行了研究，如图4所示。其中，a图中红色曲线表示纯二氧化钛的催化降解效果，绿色曲线和蓝色曲线分别代表不同比例的二氧化钛纳米复合材料的催化降解效果。
从图中可以看出，纯二氧化钛与复合材料的催化降解效果相比，复合材料的催化效率更高，且添加盖层物之后，催化效果更为明显。这是由于盖层材料与纳米钛晶体之间的协同作用产生了强大的催化效应。
图4.罗丹明B的催化降解性能
IV.结论
本文采用溶剂热法制备了一种二氧化钛纳米复合材料，经过对其结构和光催化性能的表征，得出以下几点结论：
该复合材料具有较好的纳米结构和层状结构，在光催化表面积上具有明显优势。
添加盖层材料可以使得所制备的复合材料对可见光的吸收强度变大，具有展宽光响应范围的作用。
所制备的复合材料表现出良好的光催化降解罗丹明B的性质，对罗丹明B的催化降解效率明显高于纯二氧化钛材料。
因此，该纳米复合材料具有很好的应用前景，可用于环境污染治理、光催化反应等领域的实际应用。