TiO2纳米材料的制备及其光催化性能.doc

TiO2溶胶的制备及其光催化性能
一、实验目的
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二、TiO2光催化简介

自从1972年日本学者Fujishima和Honda在n型半导体TiO2单晶电极上实现了水的光电催化分解制氢气以来,多相光催化技术开始引起世界各行各业科技研究者的极大关注。半导体多相光催化技术作为一种环境友好型的新型催化技术,在环境治理、新能源开发以及有机合成等领域都有着广泛的应用。
TiO2是n型半导体,根据固体能带理论,TiO2半导体的能带结构是由一个充满电子的低能价带(valence band,.)和空的高能导带(conduction band,.)构成。价带和导带之间的不连续区域称为禁带(禁带宽度Eg)。TiO2(锐钛矿)的Eg= eV,相当于387 nm光子的能量。当TiO2受到波长小于387 nm的紫外光照射时,处于价带的电子就可以从价带激发到导带(e-),同时在价带产生带正电荷的空穴(h+),从而形成电子-空穴对。当光生电子和空穴分别扩散到催化剂表面时,和吸附物质作用后会发生氧化还原反应。其中空穴是良好的氧化剂,电子是良好的还原剂。大多数光催化氧化反应是直接或间接利用空穴的氧化能力。空穴一般与TiO2表面吸附的H2O或OH-离子反应形成具有强氧化性的氢氧自由基OH·,它能够无选择性氧化多种有机物并使之彻底矿化,最终降解为CO2、H2O等无害物质。而光生电子具有强的还原性可以还原去除水体中的金属离子。
光催化过程的基本反应式如下:
TiO2 + hv (> eV) → h+ + e-
h+ + e- → hv (或热量)
H2O « H+ + OH-
OH- + h+ →·OH
H2O + h+ →·OH + H+
空气中游离氧的作用就犹如电子的受体,可形成超氧负离子·O2-,超氧负离子与羟基自由基一样也是强氧化还原活性的离子,它们可以氧化和降解半导体表面上甚至其附近的许多细菌和其他有机物。许多简单粘附在表面的有机物可被转化成水、CO2和其他无机小分子。
O2 + e- →·O2-
·O2- + H+ → HO2·
2 HO2· → O2 + H2O2
H2O2 + ·O2- →· OH + OH- + O2
H2O2 + hv → 2· OH
有机物+ · OH + O2 → CO2 + H2O + 其他产物
2. 溶胶-凝胶法制备TiO2的原理
纳米TiO2的溶胶-凝胶法制备一般以钛醇盐Ti(OR)4 (R=C2H5、C3H7、C4H9)为原料,其主要步骤是:钛醇盐首先溶于溶剂中形成均相溶液,以保证钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行,由于钛醇盐在水中的溶解度不大,一般选用小分子醇(乙醇、丙醇、丁醇等)作为溶剂;钛醇盐与水发生水解反应(式1),同时发生失水和失醇缩聚反应(式2、式3),生成物聚集形成溶胶;经陈化,溶胶形成三维网络而形成凝胶;干燥凝胶以除去残余水分、有机基团和有机溶剂,得到干凝胶;干凝胶经研磨后焙烧,除去化学吸附的羟基和烷基团以及物理吸附的有机溶剂和水,最后得到纳米TiO2粉体。整个过程可以用式4表示,此外,酸或碱可