介孔二氧化钛的制备与性能研究

介孔材料以其孔道大小均匀、有序排列且孔径连续可调、巨大的比表面积等独有的特点以及在催化、吸附、分离、纳米材料制备及光、电、磁等诸多领域潜在的应用价值,而迅速引起国际材料科学界的极大关注,成为新材料领域的一个研究热点。介孔TiO2具有较大表面积和孔容积,使其具有普通TiO2粉体无法比拟的优良吸附性能和光吸收性能,是一种很有应用潜力的高活性光催化材料。本文采用水热法、以钛酸四正丁酯为钛源,十八烷胺为模板剂制备了锐钛矿介孔TiO2。研究了水热温度、水热时间、煅烧温度等因素对样品介孔结构的影响。并采用XRD、TEM、N2等温吸附-脱附测试、DTA-TGA、紫外-可见漫反射等手段对样品进行表征。实验结果表明,当水热温度150℃,水热反应时间为20h,煅烧温度为450℃时,所制备的介孔TiO2具有最大的比表面积。该条件下所得样品的比表面积为201.3m2·g-1:平均孔径为4.3nm,孔径分布较窄:孔容积为0.259cm3/g。其对甲基橙的光降解反应速率常数为0.096 min-1,高于P25。采用溶剂热法,以钛酸丁酯为前驱体,十八烷胺为模板剂制备了Fe（Ⅲ）掺杂TiO2介孔材料。采用TEM,XRD,N2等温吸附-脱附测试,TGA-DTA,IR,XPS,UV-vis漫反射等手段对样品进行了表征。结果表明,Fe掺杂TiO2介孔材料的蠕虫孔道结构实际上是有TiO2纳米晶排列。Fe掺杂量为1.0 at.%的样品的最可几孔径为3.9nm,孔容积为0.147cm3/g,比表面积为151.2 m2/g。Fe掺杂介孔TiO2对甲基橙的光催化降解性能受到Fe含量的影响。当Fe掺杂浓度为1.0 at.%时,样品具有最高的光催化活性,其对甲基橙的光降解反应速率常数为0.13 min-1,是未掺杂样品的1.86倍。Fe掺杂增强介孔TiO2光催化活性的原因是Fe掺杂不仅可以减小TiO2的禁带宽度,而且掺杂Fe3+可以抑制TiO2光生电子和空穴的复合,提高TiO2的量子效率。另外Fe掺杂也可减小TiO2的晶粒尺寸,有利于提高TiO2的光催化活性。但过量的Fe掺杂反而会降低介孔TiO2的光催化活性。