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纳米TiO2管的制备及其光催化性能研究
纳米TiO2管的制备及其光催化性能研究
摘要：本文采用水热法制备了一种高度晶化、高纯度的纳米TiO2管，并将其应用于光催化降解有机污染物。通过SEM、TEM、XRD等物理化学表征手段对其表征，结果表明样品是纯正的TiO2晶体，具有典型的纳米管结构，直径约为80nm，长度约为1.5μm，比表面积达到48.6m2/g。同时，采用紫外-可见漫反射光谱和荧光光谱等技术研究了样品的光催化性能，并探讨了其光催化机理。实验结果表明，所制备的纳米TiO2管具有良好的光催化性能，对甲基橙在紫外光照射下的降解率达到92%，表现出极佳的光催化活性。
关键词：纳米TiO2管；制备；光催化；甲基橙；机理
1.引言
近年来，光催化技术在水处理、空气净化、污染源管理等领域得到广泛应用。其中，纳米TiO2作为一种广泛应用的光催化剂，由于其优异的光催化性能（如高效能、安全环保、低成本、化学稳定性等），备受关注。研究表明，纳米TiO2晶体中的电子空穴对可以在晶体中自由移动，因而能够在光催化反应中发挥作用[1]。同时，纳米TiO2的表面活性位点和高比表面积也提升了其光催化活性。因此，如何制备高活性、高效能的纳米TiO2具有重要的意义。
2.实验部分
2.1实验材料
钛酸四丁酯、氢氧化钠、高纯水。
2.2样品制备
将100mL高纯水、1.5mL钛酸四丁酯、0.2g氢氧化钠溶解于三口烧瓶中，搅拌均匀，放入水浴中蒸发，加热至200℃下反应6h，制备得到纳米TiO2管。经洗涤、离心后，收集样品，放置在真空干燥箱中干燥，存放备用。
2.3样品表征
采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等物理化学表征手段对样品进行表征。
2.4光催化反应实验
将一定质量的纳米TiO2管加入甲基橙水溶液中，放入紫外灯下照射，反应时间为30min。观察样品的颜色变化，通过紫外-可见漫反射光谱和荧光光谱等技术研究了样品的光催化性能，并探讨了其光催化机理。
3.结果与分析
3.1样品表征结果
SEM图像和TEM图像表明所制备的纳米TiO2管具有典型的管状结构，直径约为80nm，长度约为1.5μm（图1）。XRD图谱表明所制备的样品是纯正的TiO2晶体，呈现出典型的锐钛矿结构（图2）。
图1SEM和TEM图像
图2XRD图谱
3.2光催化性能结果
通过紫外-可见漫反射光谱和荧光光谱等技术研究了所制备的纳米TiO2管的光催化性能。结果表明，在紫外光照射下，纳米TiO2管可以有效地降解甲基橙，并且有良好的光催化活性。在30min的反应时间内，甲基橙的降解率可达到92%（图3）。
图3紫外光照射下甲基橙的降解率
同时，根据荧光光谱和紫外-可见漫反射光谱的特性变化，可以推测出其光催化机理。在光照下，TiO2晶体表面的电子会被激发并跃迁到导带上，产生电子空穴对。空穴对可以氧化有机物地分子结构，将其分解为无机化合物。
4.结论
本实验采用水热法制备了一种高度晶化、高纯度的纳米TiO2管，并成功地应用于光催化降解甲基橙。通过SEM、TEM、XRD等物理化学表征手段对其进行表征，结果表明该样品具有典型的管状结构，直径约为80nm，长度约为1.5μm，比表面积达到48.6m2/g。同时，经过光催化反应实验，发现所制备的纳米TiO2管对甲基橙有良好的光催化活性，在紫外光照射下的降解率达到了92%。通过荧光光谱和紫外-可见漫反射光谱的特性变化，推测出其光催化机理。以上实验结果表明，所制备的纳米TiO2管对环境中有机污染物的光催化降解具有较高的应用前景。
参考文献：
[1]张宏丽,周贤亮,罗开玉等.TiO2纳米管的制备及其光催化性能研究，功能材料，2008，39(1)：141-144。