油溶性纳米二氧化钛的制备及其光催化性能研究

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纳米二氧化钛具有优良的光催化性能,光催化产生的自由基可以把许多难降解的有机物光解为CO2和H2O等无机物,还能破坏细菌的细胞膜,使细胞质流失,进而将细胞核氧化而杀死细菌,这一优良性质使得它具有了杀菌、除臭、防雾、白清洁、处理污染物等功能。因此纳米二氧化钛在染料,食品,化妆品,催化剂以及太阳能电池等方面的巨大价值,受到了广泛的关注。在这种关注下,对二氧化钛的制备方法的研究取得了许多成果。但纳米二氧化钛因其表面含有大量羟基而亲水性很强,并且目前见于报道中的制备方法也都是在水溶性环境中进行的,包括气相法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法等,而关于在油溶性环境中制备纳米二氧化钛的方法却鲜见报道。纳米Ti02可以作为新型纺织品自清洁材料用到一些有机纺丝材料中,作为抗紫外添加剂添加到油溶性化妆品中,作为光催化剂用于一些有机污染物的催化材料,以及作为白色颜料需与一些有机溶剂相混溶,被掺入涂料、橡胶、塑料等以改善其性能,这些应用都需要纳米二氧化钛具有较好的亲油性,以更好的发挥其作为光催化材料、自清洁材料、白色染料的功能。本课题结合本实验室的油水界而法和溶剂热法合成亲汕性良好的纳米二氧化钛颗粒。在探索过程中,我们逐步改进出两种途径,一种途径是两步法,另一种途径是一步法。在制备了良好的二氧化钛光催化材料的基础之上,对反应机理进行了初步的探讨,同时也检验了制备得到的纳米二氧化钛对染料的光催化效果。这两种方法制备得到的亲油性纳米二氧化钛,使其有了更加广泛应用的可能。通过本课题的研究,得出了如下结论:(1)通过一步法制备得到在油溶性溶剂中分散性能良好的纳米二氧化钛颗粒,平均粒径在15—25nm之间,产品形貌均一,分散,性能良好,纯度高,操作简单,工艺流程简单;通过两步法制备得到在油溶性溶剂中分散性能良好的纳米二氧化钛颗粒,平均粒径与一步法:的粒径分布在统一范围内,产品形貌均,分散性良好,纯度高,制备出的纳米二氧化钛颗粒均一性、形貌更佳(2)反应条件对产品分散性、晶型、均一性有很大的影响。就两种方法的基本条件来说,基本遵循同样的条件影响规律。两种方法的理想的反应温度无普140℃,一步法中,当反应温度低于140℃时,产物出现在水相里,是亲水性的,而在水相中的产物颗粒成形不规则;当反应温度高于140℃时,产物出现在油相里,是亲油性的。而两步法中,产物都在同相,温度低于140℃产物的成形和形貌都不理想,而温度高于140℃产物团聚现象严重。两种方法的理想pH均为11:从中性条件开始,随着pH值增大,颗粒的形貌越来越清晰,当pH12时,在一步法中产物沉在下层水溶底中,而在两步法中产物沉于底部。两种方法的理想反应时间均为72h:随着反应时间的增加,结晶度升高,但当反应时间超过72h时,反而造成不容忽视的团聚现象十二胺为最理想的表面活性剂,其它表面活性剂的效果都非常不理想,最终还是选择十二胺,十二胺浓度越大,颗粒的均一性和分散性越理想。环己烷为最佳油相,应用其它有机溶剂时,会出现诸如团聚,成形不规则等现象。(3)初步探讨了这一油溶性纳米二氧化钛制备方法的反应机理。温度作为一个及其重要的条件,不同的温度段所引起的反应现象和结果不同。我们通过探讨钛源发生水解聚合以及产物与十二胺形成稳定结构,得出如下结论:100℃足以使钛源水解聚合为二氧化钛纳米颗粒,而140℃足以使十二胺与二氧化钛纳米颗粒表面羟基形成较稳定的氢键而稳定存在于油相中。(4)本课题中,通过测试制备得到的纳米二氧化钛颗粒对考马斯亮蓝和甲基橙染料的降解来检查其光催化性质。实验表明了材料光催化性能良好,与市售二氧化钛相比较,有更好的光催化性能。
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