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负载型TiO2纳米催化材料的制备与催化性能的研究
摘要
本研究通过溶胶-凝胶法制备了负载型TiO2纳米催化材料，并对其催化性能进行了研究。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等分析手段确定了制备的催化剂的结构和形貌。结果表明，负载型TiO2纳米催化材料具有良好的催化活性和稳定性，其抑制了光催化过程中的电子-空穴再组合过程，提高了催化剂的光催化活性。
关键词：负载型TiO2纳米催化材料；溶胶-凝胶法；催化性能；光催化活性
引言
负载型TiO2纳米催化材料作为一种具有良好催化性能的催化剂材料，被广泛应用于废水处理、气体净化等领域。TiO2催化材料的催化性能主要受其物理化学性质的影响，例如晶形、晶体结构、表面形貌等。为了提高催化剂的催化活性和稳定性，研究人员采用了多种方法改善TiO2催化材料的物理化学性质。其中，负载型TiO2纳米催化材料受到了广泛关注。
实验部分
材料
Ti(OC4H9)4、乙醇、氯化钠、硝酸钠、钨酸钠、4-氨基吡啶。以上试剂均为分析纯。
仪器
X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见吸收光谱仪（UV-vis）、比表面积分析仪（BET）
制备
1）制备负载型TiO2纳米催化材料
首先，将0.25mol的Ti(OC4H9)4用2mL的乙醇溶解，制备初步溶胶。然后，将3.28g氯化钠粉末溶于60mL的乙醇中，通过超声振荡将粉末充分分散。将上述初步溶胶加入到氯化钠分散液中，继续超声处理30分钟。将混合溶液置于烘箱中干燥，再进行高温处理。先将样品放置于110℃下干燥2小时，然后以2℃/min的速度升温至450℃，持续4小时。最后，以15℃/min的速度升温至55℃，并在室温下冷却。制备负载型TiO2纳米催化材料，样品标记为TiO2/SiO2。
2）催化活性测定
将TiO2/SiO2样品加入去离子水中，制备悬浮液。将所制备的悬浮液加入光反应器中，进行光催化实验。设置不同的反应条件，并测定反应系统的光催化活性。其中，反应条件为：温度25℃，光源选用日光灯，反应时间60分钟。催化剂质量浓度为0.1g/L。反应物选用4-氨基吡啶。
结果与讨论
X射线衍射（XRD）分析结果表明，负载型TiO2纳米催化材料的晶体结构为锐钛矿晶型，无其他杂质成分存在。透射电子显微镜（TEM）结果表明，所制备的催化材料呈现出球形形貌，平均粒径为10~15nm。
透过紫外-可见吸收光谱仪，可知所制备的催化剂可吸收200~400nm波长范围内的光线，证明其具有光催化特性。催化实验结果表明，TiO2/SiO2的催化活性明显优于未经改性的TiO2催化剂，且在催化过程中具有较好的稳定性。其主要原因在于，负载型TiO2纳米催化材料能抑制光催化过程中的电子-空穴再组合过程，提高了催化剂的光催化活性。
因此，负载型TiO2纳米催化材料是一种具有广阔应用前景的催化剂材料，其在废水处理、气体净化等领域拥有广泛的应用前景。