功能材料课程设计报告设计题目：镍网负载TiO2光催化剂制备及其光催化活性研究姓名：蔡志鸿学号：200830750101班级：200级材料化学1班时间：2011年12月8日二零一一年十二月镍网负载TiO 2光催化剂制备及其光催化活性研究蔡志鸿 黄伟钊(华南农业大学理学院应用化学系,广东 广州510642)摘 要： 以钛酸正丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法在泡沫镍网上制备了TiO 2薄膜光催化剂. 利用FS,XRD,IR,UV 等手段研究了薄膜的表面及结构特性. 在高压汞灯照射的反应体系中,利用甲基橙降解试验研究了泡沫镍网负载TiO 2薄膜的光催化特性,考察了不同醇水比和负载次数对光催化效率的影响.将TiO 2薄膜的结构特性与其光催化活性进行了关联.结果表明,醇水比为12.5:1, 提拉3次可制得具有多孔结构和结晶完好的锐钛矿型TiO 2薄膜,并具有最佳的光催化活性.关键词：光催化； 泡沫镍网； 二氧化钛；甲基橙Study on preparation of TiO 2 photocatalysts loaded on nickel netsand their photocatalytic activityCAI Zhi-hong, HUANG Wei-zhao, HUANG Ming-xin, ZHOU Ying-yi, LU Gui-lin(Department of Applied Chemistry ，College of Sciences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: With butyl acetate titanate as raw material, TiO 2 films loaded on foam nickel (TiO 2-Ni ) were prepared by sol-gel method. The surface and the structural characteristics were investigated using XRD, IR, FS and UV. The photocatalytic activities of TiO 2-Ni were investigated by the degradation of methyl orange. The effect of preparation factors, such as ratio of alcohol to water and dipping times, was examined on the catalytic properties of TiO 2-Ni. The results show that TiO 2-Ni prepared with ratio of alcohol to water 12.5:1 and dipping 3 times, which had the pore structure and anatase phase TiO 2, had the best photocatalytic activity.Key words: Photocatalytic; Nickel nets; Titanium dioxide; Methyl orange light catalyzing; Characterization1 前 言TiO 2作为光催化型环境净化催化剂具有活性高、安全、应用范围广和无污染等优点，是最具有开发前途的绿色环保型催化剂之一[1~3]。
TiO 2粉末的固定化(负载) 一直是实际应用中的技术关键，利用各种载体和开发不同负载制备技术对负载型TiO 2粉末[4 ]和薄膜[5 ]光催化剂的规模化生产和应用十分重要。
目前国内外对TiO 2 薄膜光催化剂进行了很多研究，但大都局限于薄膜催化剂的晶相结构[6～9 ]。
泡沫镍网是“多孔金属”家庭中的后起之秀，是经过高科技深加工，将金属镍制成泡沫海绵状，具有最佳三维全贯通网孔结构。
镍骨架中空并以冶金状态彼此交连，孔隙度高达96-98，体密度仅为镍的五十分之一，比表面积极大，仍保持镍的良好理化性质，因而全新结构的优异特性使之成为功能型新材料，具有较为宽阔的应用领域。
本文以钛酸正丁酯为原料，利用溶胶凝胶法，在泡沫镍网（以下简称镍网）上制备了TiO2薄膜（简写为TiO2/Ni），由于镍网和TiO2的界面扩散使薄膜能够紧密结合，利用镍网可以在一定程度上加大光催化剂的有效比表面积和降低气阻。
利用FS,XRD,IR,UV等技术研究了薄膜的表面及结构特性，并用甲基橙溶液的光催化脱色反应研究了在高压汞灯条件下考察了不同醇水比和负载次数对光催化效率的影响。
2 实验部分2.1镍网预处理取一个100ml的烧杯，将镍网置于烧杯中，加入10%Na2CO3溶液直至浸过镍网，并于60℃水浴加热20min。
加热结束后，把废液倒出，加入蒸馏水2-3次，直至测得洗涤液的pH值接近中性。
将镍网取出，在烘箱中干燥，备用。
2.2 TiO2溶胶的制备称取15g（0.025mol）钛酸丁酯于125ml锥形瓶中，加入60ml无水乙醇搅拌混合均匀，配制成A溶液。
取25.5ml无水乙醇1.5ml蒸馏水于分液漏斗混合均匀，用加入1ml 5mol/L HNO3制成B液，在磁力搅拌器剧烈搅拌下将B液以1滴/s的速率缓缓加入到A液中，持续搅拌，直至溶液滴完。
使钛酸丁酯均匀水解，并通过进一步交联、支化形成溶胶。
2.3镍网负载TiO2用浸渍-提拉法实现镀膜，即把经过清洁处理的高纯度镍网浸入所配溶胶中，浸渍时间30s以上，以缓慢速度提拉成膜，自然状态下干燥、凝胶后放入炉中100℃保温5min，根据提拉次数不同，重复多次以改变膜的厚度，，最后一次成膜温度为450℃，升温为2~3℃/min，保温30 min。
2.4 设计醇水比例对照组如表1所示，将B液中无水乙醇与蒸馏水按表中各组比列混合，使V1+V2=27ml。
重复2.2步骤，制备成不同醇水比例下的TiO2溶胶。
表格 1 醇水比组Table 1 Different proportion of ethanol and water 组别无水乙醇/ml(V1)蒸馏水/ml(V2)第一组26.2 0.8第二组25.8 1.2第三组25.5. 1.5第四组25.2 1.8第五组25.0 2.0第六组24.8 2.22.5负载次数对照组分别将镍网提拉最佳醇水比2.0ml水1次、2次、3次、4次、5次，研究膜厚度对光催化性能的影响2.6 样品表征样品的晶相结构采用北京普析通用仪器有限责仸公司的MSAL_XD2型X射线衍射仪分析；采用美国Nicolet 510P FT-IR红外光谱仪测定样品的红外光谱；样品的荧光光谱采用日本岛津公司RF-530XPC 型荧光分光光度计测定。
2.7 降解甲基橙取1ml 1g/L甲基橙溶液，稀释到1L水中，取600ml水溶液做光催化降解甲基橙，实验采用125W 高压汞灯作为光源，将5块76mm×25mm镍网固定在水槽壁上，吸附平衡30 min后每隔10 min取一次样，共六次。
离心分离除去催化剂粉末后，取上层清液在紫外-可见分光光度计上于波长462nm 处测试其吸光度，并计算甲基橙光降解率(A-A0)/A。
3 结果与讨论3.1 FS分析图1为不同提拉次数TiO2/Ni的荧光光谱图。
一般认为荧光峰是由电子-空穴复合引起的，峰越弱活性越高。
由图1可知，不同样品呈现出相似的FS光谱，在波长为340～450 nm 范围内光催化剂TiO2/Ni 表现出连续的的发光信号，且在370nm附近出现明显的FS 峰，峰强由提拉次数分别为0、5、2、1、3、4逐渐降低，表明电子-空穴对的复合率依次减小，将导致更高的量子效率。
由结果看出，提拉3到4次具有较好的活性，在镍表面形成较稳定均匀的Ti-O-Ni表面结构。
Intensityλ / nm图1 不同提拉次数样品FS谱图Fig. 1 FS spectra of TiO2/Ni with different dipping times3.2 XRD分析1020304050607080500001000000.8ml1.2ml1.5ml1.8ml2.0mlIntensity2θ / ο2.2ml图2 不同醇水比样品的XRD谱图Fig.2 XRD spectra of different ratios of ethanol towater图2 为不同醇水比样品的XRD谱图。
在TiO2的XRD 谱图中，2θ约25.2°处的衍射峰是锐钛矿的101面特征峰，图2中2θ=25.2°的衍射峰与锐钛矿型二氧化钛吻合，说明不同醇水比条件下制备的样品均为锐钛矿。
蒸馏水量为2.0ml 时，峰强较低，峰较宽，（可以由谢乐公式平均晶粒大小计算粒径），粒径也会相对较小[10 ]，一般颗粒越细，其比表面积越大，易于吸收光，其光催化活性也应较大。
3.3 IR 分析图3和图4为不同样品的红外光谱图。
由图可见，样品在1000cm -1到500 cm -1出现宽强峰，是TiO 2晶体和表面的Ti-O 键伸缩振动和弯曲振动峰。
在3400 cm -1左右有弱吸收峰，是样品吸附水分形成OH 的缘故。
T (%)ν / cm-1图3 提拉三次样品的IR 谱图Fig.3 IR spectra of TiO2/Ni with three dipping timesT (%)ν / cm-1图4 掺水2.0ml 样品的IR 谱图Fig.4 IR spectra of TiO 2/Ni prepared with 2.0 ml water3.4 紫外-可见漫反射光谱分析R /%λ / nm图5 不同提拉次数DRS 光谱Fig.5 DRS of TiO2/Ni with different dipping times20030040050060056789101112131415161718l g [κ/(L ·m o l -1·c m -1)]λ/nm0.8ml 1.5ml 1.2ml 1.8ml 2.0ml 2.2ml图6 不同醇水比DRS 光谱Fig.6 DRS of TiO2/Ni with different ratios of ethanolto water图5~6所示为不同制备条件的镍网纳米二氧化钛光催化剂的紫外-可见漫反射光谱。
反射率越高，则被吸收利用的光能越少。
图6对比不同掺水条件及曲线图，2.0ml 、2.2ml 样品的漫反射律较低，即负载在镍网上的锐钛矿型纳米二氧化钛粒子光利用效率较高，其光催化活性较好。