二氧化钛复合材料的制备及光催化性能研究

二氧化钛复合材料的制备及光催化性能研究

王志 ,钟沄棠, ,吴昊

辽宁省建平县 黑龙江大学 150080；河南省许昌市 黑龙江大学 150080

黑龙江省巴彦县 佳木斯大学 154000

摘要

本文选用白云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2和钛酸丁酯C16H36O4Ti作为原料在水热的条件下制备出了白云母/TiO2复合光催化剂。通过使用扫描电子显微镜、X射线衍射、红外线光谱分析仪和紫外可见光吸收光谱对其结构进行表征，并研究了复合物的光催化活性。

关键词：白云母/TiO2复合光催化剂；水热合成；光催化

1概述

1.1 TiO2简介

云母是一种表面带有活性基团的层状硅酸铝大分子。白云母是一种层状矿物，具有高比表面积、强吸附性和良好的化学稳定性。白云母晶体的切片层可以提供光滑的基底，它的原子级光滑表面易于通过劈开来制备。为了蛋白质结晶的目的，可以对云母表面进行改性，表面离子可以被各种碱金属离子交换。改变表面离子对水层的有序性有直接影响，这被称为结构破坏或促进。除了SFA，表面X射线衍射、原子力显微镜、分子动力学模拟和X射线反射率也被用来确定改性云母及其液体表层的表面结构。由于白云母的(001)面沿c轴滑动，它可以有两个不同的终端，它们在(010)面上相互成镜像。

二氧化钛是三种不同的多态体：锐钛矿，金红石和板钛矿。二氧化钛的主要来源和最稳定的形式是金红石。这三种多态性都可以在实验室很容易地合成。

1.2光催化机理

在光照条件下，TiO2表面的超亲水性起因于其表面结构的变化。在紫外光照射下，TiO2价带电子被激发到导带，电子和空穴向TiO2表面迁移，在表面生成电子空穴对，电子与Ti反应，空穴则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离子和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水（表面羟基），化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层。

2实验步骤

2.1酸处理白云母

称取5 g白云母放入三口烧瓶中，加入浓度为20%的稀硫酸150 mL，在水浴锅中80℃搅拌25 min，冷却至室温，用去离子水洗涤至中性，且用0.1mol/L氯化钡溶液检测不出SO42-，放在80℃烘箱中干燥备用。

2.2水热法制备白云母/TiO2复合材料

将9 mL钛酸丁酯溶解30mL无水乙醇中，搅拌30min，得到钛酸丁酯醇溶液（A液）。取3 g上述酸处理白云母，将其分散75mL去离子水中，并加入一定量冰醋酸调节pH至2.5，搅拌30min，得到白云母悬浮液（B液）。在室温下，用蠕动泵将A液滴加到B液中，边滴加边搅拌，滴加完继续搅拌2 h。将搅拌后的混合液装入聚四氟乙烯反应釜中，在不同温度（100℃、120℃、140℃、160℃和180℃）下水热反应16 h，将水热反应产物离心、洗涤、干燥、研磨，最终得到白云母/TiO2复合光催化剂。

2.3光催化性能测试

用250W高压汞灯作为紫外光源，以10mg/L甲基橙溶液作为目标污染物。将一定量白云母/TiO2样品加入到100mL甲基橙溶液中。首先，暗反应30 min，使反应物达到吸附-解吸平衡。然后，打开紫外灯进行光催化反应，每隔20min取5mL溶液于离心管中，在离心机上离心以5000r/min离心5min，取上层清液在紫外-可见光分光光度计上测定其吸收光谱。甲基橙溶液降解率计算公式为：D=(C0－Ct)/C0×100%，式中D为甲基橙降解率，C0、Ct分别为甲基橙溶液初始浓度和t时刻甲基橙溶液浓度。

3结果与讨论

3.1 样品分析

3.1.1 扫描电子显微分析

用扫描电子显微镜对酸处理白云母和负载二氧化钛后的样品进行观察，其形貌如图1、图2所示。

图1 酸处理白云母的SEM图   图2 160℃水热制备白云母/TiO2样品的SEM图

3.1.2 X射线衍射分析

图3为不同水热温度制备白云母/TiO2复合材料的XRD谱图。由图3可以看出，100℃~180℃水热得到的样品中TiO2均为锐钛矿相，且随着水热温度的增加，2θ为25.3°锐钛矿相特征峰(101)强度越来越强。

图3 不同水热温度下样品的XRD谱图

3.1.3 红外线光谱分析

由图4可以看出，白云母/TiO2复合材料中白云母的特征峰仍然存在，说明在复合材料中，白云母结构保持完整。其中3622 cm-1的吸收峰属于白云母表面OH振动吸收峰。3427cm-1属于表面吸附水的伸缩振动。1638cm-1属于表面吸附水的弯曲振动。1027cm-1代表硅氧四面体内Si-O-Si键的伸缩振动。922 cm-1处为Al-OH的吸收峰。749 cm-1为Si-O键的伸缩振动。600~400 cm-1属于Si-O弯曲振动区。TiO2的加入后，Si-O键的吸收强度明显降低，说明TiO2成功负载到白云母表面。

图4 酸处理白云母和白云母/TiO2复合材料的FTIR谱图

3.2 样品的光催化活性

3.2.1 水热温度对样品光催化活性的影响

将酸处理白云母和不同水热温度制备的白云母/TiO2复合材料在紫外光下降解甲基橙染料，绘制紫外-可见吸收谱图并计算其光催化降解率，白云母对甲基橙具有一定的吸附作用，暗反应30mins，吸附了10%左右的甲基橙；但它没有光催化活性，在光照2 h后，甲基橙溶液的浓度基本保持不变。不同水热温度制备的样品中，180℃制备的样品光催化活性最高，紫外光照射2h，甲基橙降解率达到99%。随着水热温度升高，甲基橙溶液降解率先增加后减小，主要是由于温度低时，TiO2结晶度不好，随着温度升高，TiO2晶型逐渐完整，但当温度达到180℃时，TiO2纳米粒子可能出现团聚现象，导致光催化活性降低。如图5。

图5 不同水热温度制备的样品紫外-可见吸收谱图及降解率曲线

3.2.2 催化剂用量对光催化效果影响

水热温度为160℃不同催化剂用量对甲基橙染料光催化降解曲线如图所示。由图可知，随着催化剂用量的增加，甲基橙降解率先增大后减小，催化剂最佳用量为2.5g/L。当催化剂用量较少时，由于催化剂不能产生足够的光生电子-空穴对，提供的反应活性位点较少，导致光催化效率低；当催化剂用量为2.5g/L时，甲基橙降解率最大，达到99%；当催化剂用量过多时，由于过多的催化剂固体颗粒悬浮于溶液中，增大了对紫外线的散射和屏蔽，阻碍了光生载流子的分离，导致光催化性能下降。

图6 不同催化剂用量对甲基橙光催化降解效果

3.2.3 催化剂的循环使用性能测试

用水热温度为160℃制备的样品进行光催化循环使用性能测试，催化剂添加量为2.5 g/L。催化剂重复利用5次后，对甲基橙的降解率仍保持60%以上，具有较好的重复使用性。降解率出现降低一方面是因为在过滤回收利用中会有一部分催化剂损失，另一方面是由于随着多次光催化的进行，TiO2纳米粒子中电子-空穴对的复合几率增大，导致光催化性能降低。

结论

本文以白云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2和钛酸丁酯C16H36O4Ti作为原料，在水热的条件下制备出了白云母/TiO2复合光催化剂。通过各种方法对其结构进行表征。在水热温度对样品光催化活性的影响方面，不同水热温度制备的样品中，随着水热温度升高，甲基橙溶液降解率先增加后减小。在催化剂用量对光催化效果影响方面，随着催化剂用量的增加，甲基橙降解率先增大后减小。在催化剂的循环使用性能测试方面，催化剂具有较好的重复使用性。

参考文献

[1]高昕.生物质碳/二氧化钛复合材料的制备及光催化性能研究[D].西安理工大学,2021.

[2]井访.二氧化钛复合材料的制备及其光催化制氢性能研究[D].海南大学,2021.

作者简介：

王志（2001.07-）男，汉族，辽宁省建平县人，本科学历，主要研究方向：无机光催化材料

钟沄棠（2002.01-）女，汉族，河南省许昌市人，本科学历，主要研究方向：碳点光学材料

吴昊（2002.09-）男，汉族，黑龙江省巴彦县人，本本科学历，主要研究方向：无机光催化材料