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自1972年A. Fujishima和K.Honda在n-型半导体TiO2电极上发现水的光催化分解现象以来,TiO2光催化技术便引起了材料学、化学和环境科学界的广泛重视。纳米TiO2具有结晶度高、比表面积大和活性位点多等优点,被广泛应用于光催化领域。但是纳米TiO2存在易失活、易团聚和难回收等缺点,严重限制了其在光催化领域的应用。为了解决这些问题,人们尝试将TiO2粉末固定在载体上,制备了负载型TiO2光催化剂,但负载过程对TiO2催化活性有一定的负面影响。如果可以制备出大粒径多孔型TiO2颗粒,在确保TiO2晶粒尺寸小及比表面积较高以达到高催化活性的前提下,实现易分散和易回收的目标,可在一定程度上解决上述问题。
本论文以“PMMA为模板合成多孔TiO2微米球及紫外光催化性能”为题,展开了研究。具体研究内容和结果如下:
1.选用无水乙醇作溶剂,无皂乳液聚合法自制的PMMA球为模板,CH3COOH、Ti(OC4H9)4(TB)为反应原料,在140℃下,利用溶剂热法合成TiO2微米球。同时在一定范围内考察了原料配比、模板剂用量、Ti(OC4H9)4浓度、溶剂热处理温度对合成样品形貌的影响。结果表明:羧基(COOH)与TB的摩尔比较低(2:1),模板剂的用量为0.2 g,Ti(OC4H9)4的浓度较高时(0.25、0.17mol·L-1),溶剂热处理温度(120,140℃)低于纯PMMA的流动温度(160℃),所形成的TiO2微米球的分散性、均匀性较好;而羧基(COOH)与TB的摩尔比较高(4:1,6:1),得到的微米球有严重的损坏,且存在严重的团聚现象;溶剂热处理温度(160,180℃)高于纯PMMA的流动温度时,得不到微米球产品。TiO2微米球的生成机理为:分散于无水乙醇中的PMMA球在加热升温过程中发生溶胀,在溶胀过程中,反应原料CH3COOH、TB随着无水乙醇进入PMMA球内,并在溶剂热过程中发生配位-水解缩合反应,生成TiO2小晶粒,生成的TiO2小晶粒以PMMA分子链为支撑,并在反应进行的过程中不断长大,最终形成TiO2微米球。通过对浓度为50 mg·L-1的亚甲基蓝(MB)的降解实验评价样品的紫外光催化性能,结果合成样品的光催化性能很差。
2.通过焙烧法、溶解法、溶解与水热相结合的方法对合成的TiO2微米球样品进行后处理,以除去样品中的PMMA模板,同时使TiO2晶化,以提高样品的紫外光催化性能。结果表明:不同处理方法得到样品的结构、结晶度及光催化性能不同。先用乙酸乙酯溶解除去PMMA后的样品,在180℃下水热24 h,得到结晶度较好、比表面积较大、具有多孔结构的TiO2微米球。对浓度为50mg·L-1的亚甲基蓝(MB)水溶液的光催化降解效果较好,紫外光照40 min后的降解率达到97.4%。
总之,通过我们的研究,在以PMMA为模板合成TiO2微米球方面取得了一定进展,也为同类微米球材料的制备提供了新的思路和方法。