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| 納米TiO2/蛋白土復合材料的制備與表征 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2013-09-17 07:52:48 瀏覽次數： |
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（中國礦業(yè)大學(xué)，北京/劉超，鄭水林，宋貝，王彤彤）隨著(zhù)人類(lèi)環(huán)保意識的增強和全球環(huán)保標準的提高, 控制環(huán)境污染已成為全世界越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。半導體多相光催化作為一項新的污染治理技術(shù)在處理水中有機污染物方面已顯示出很大的應用潛力。納米TiO2作為一種光催化劑，具有光催化活性好、穩定性強、對人體安全無(wú)毒、對皮膚無(wú)刺激性的特點(diǎn)，是一種極佳的環(huán)保應用材料。但是，純納米TiO2存在生產(chǎn)成本高以及難以回收等應用問(wèn)題，納米TiO2 光催化復合材料的制備與研究已成為目前學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)。
王利劍等成功的制備了納米TiO2/硅藻土復合材料，對甲醛降解率達81%，目前該技術(shù)已取得中試成功，產(chǎn)品已成功應用到百葉窗等建筑材料中；周武藝等制備了納米TiO2/C光催化劑，對亞甲基藍降解率達93%；白春華等成功制備了對銅絡(luò )合偶氮染料的降解脫色率達90％摻雜高嶺石基納米TiO2復合材料；馮利利等制備了TiO2/MCM-41復合材料，對羅丹明B的光催化降解活性明顯高于商用TiO2(P-25)；劉月等成功制備了一種對甲醛降解率達到85%以上的氮摻雜凹凸棒石負載納米TiO2復合材料。
蛋白土是一種含水非晶質(zhì)或膠質(zhì)二氧化硅。蛋白土較常見(jiàn)為致密塊狀、鐘乳狀、瘤狀團塊、結核狀和球粒結構，且具有納米級微孔，可以用來(lái)制作納米復合材料。本文以經(jīng)過(guò)酸洗后的蛋白土為載體，采用水解沉淀法制備了納米TiO2/蛋白土光催化復合材料，并在對材料主要性能進(jìn)行表征的基礎上對材料的光催化降解甲醛性能進(jìn)行了檢測。蛋白土原土經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單酸處理后，使其成為了一種良好的載體材料。將光催化活性很強的納米TiO2負載在其表面后，制備出了一種既具有光催化活性又方便使用的復合光催化材料。
1．實(shí)驗
1.1 原料
實(shí)驗所用的酸浸蛋白土來(lái)源于錦州沈宏公司，比表面積52.64 m2/g，孔體積0.139cm3/g，孔徑14.55nm。
酸浸蛋白土中主要化學(xué)組成為SiO2，其含量為SiO291.68% Al2O3 2.43%，Fe2O3 0.33%，燒失量0.96%。
1.2 納米TiO2/蛋白土復合材料樣品制備
首先將TiCl4配成一定濃度的溶液。采用冰水浴，將裝有一定量的蛋白土礦漿倒入三口燒瓶中，并加入一定量的濃鹽酸進(jìn)行攪拌，隨后通過(guò)恒流泵勻速滴入一定量TiCl4溶液，攪拌10min后，通過(guò)恒流泵勻速滴入一定量硫酸銨，滴加完畢后，將水浴鍋內水溫升至一定溫度。然后通過(guò)恒流泵勻速滴入氨水，調節到合適的pH值，反應一定時(shí)間，過(guò)濾、洗滌、干燥，最后在一定溫度下煅燒、保溫，即得到蛋白土負載TiO2復合材料。制備工藝路線(xiàn)如圖1所示：
圖1 制備工藝路線(xiàn)圖
采用荷蘭PHILIPS公司 Xpert X射線(xiàn)衍射儀(管電壓: 40kv，管電流: 40mA，Cu耙)對制備的樣品進(jìn)行物相分析；日本日立公司H-800分析電鏡（分辨率：0.2044）進(jìn)行樣品刨面形貌分析；Nicolet iS10 傅立葉紅外（FT-IR）光譜儀分析顆粒表面的化學(xué)基團。
1.4 甲醛降解實(shí)驗
采用南京斯東柯電氣設備有限公司生產(chǎn)的SGY-1型多功能光化學(xué)反應儀為光催化實(shí)驗裝置，以白熾燈模擬太陽(yáng)光源，在密封的環(huán)境艙內進(jìn)行制備材料的去除甲醛性能試驗，。試驗方法如下：首先將一定量的復合材料樣品均勻涂覆在一定大小的玻璃板上，取2μl甲醛于蒸發(fā)皿中，將玻璃板與蒸發(fā)皿同時(shí)放入環(huán)境艙中，每隔1h用大氣采樣器對艙內氣體進(jìn)行采樣，持續24h，將采集的氣體溶于蒸餾水中，然后加入乙酰丙酮溶液，測定吸光度，換算成甲醛濃度，計算降解率。
樣品對甲醛的降解率計算，降解率公式如（1-1）所示：
式中，y0、y分別為環(huán)境艙內初始和凈化后甲醛濃度；η為甲醛降解率。
2．結果與討論
2.1 納米TiO2/蛋白土復合材料表征
2.1.1 物相分析
為了進(jìn)一步確定負載在蛋白土表面上的顆粒是TiO2及其晶型，對原礦和復合材料樣品進(jìn)行了XRD檢測，如圖2所示：
圖2 蛋白土及復合材料的XRD圖譜
2.1.2 FT-IR紅外分析
圖3為蛋白土與復合材料的紅外光譜圖。由紅外光譜圖分析可知，圖曲線(xiàn)1中1635.86 cm–1和3446.21 cm-1出現的寬大吸收峰是基體存在大量羥基的緣故，為－OH和H—O—H的彎曲振動(dòng)，這主要與基體和復合材料表面羥基及表面吸附水有關(guān)；477.00cm–1，789.60 cm–1和1103.10 cm–1處為[SiO4]形成的線(xiàn)式Si—O—Si的伸縮振動(dòng)吸收峰所致。958.42 cm-1處的吸收峰可歸屬為T(mén)i—O—Si鍵特征峰，說(shuō)明在納米TiO2/蛋白土復合材料中，Ti、O、Si間形成了新的化學(xué)鍵。
圖3原礦與納米TiO 2／蛋白土復合材料紅外光譜
對原礦和復合材料進(jìn)行了TEM剖面分析, 并用日立H-800分析電鏡（分辨率：0.2044）進(jìn)行取像分析，結果如圖4、圖5所示：
 
圖4蛋白土（a,b）
 
圖5 納米TiO 2/蛋白土復合材料(c,d)
2.2 甲醛降解性能
圖6是煅燒蛋白土和納米TiO2/蛋白土復合材料降解甲醛性能的對比。
圖6 蛋白土與復合材料對甲醛的去除率
納米TiO2/蛋白土復合材料光催化降解甲醛分為兩個(gè)過(guò)程，一是甲醛分子在復合材料表面吸附，二是吸附在復合材料表面的甲醛分子在光照下被光活性物質(zhì)TiO2降解。甲醛在納米TiO2/蛋白土復合材料表面上的吸附是光催化降解能夠進(jìn)行的先決條件，由于蛋白土具有較強的吸附性，甲醛分子會(huì )被吸附致蛋白土孔隙與表面上。
TiO2在太陽(yáng)光的激發(fā)下，生成的·OH自由基，由于·OH自由基具有較高的化學(xué)鍵能，故生成的·OH可攻擊甲醛的C－H鍵，同時(shí)與其活潑H原子生成新自由基，由此激發(fā)鏈式反應，并最終將甲醛分解為對環(huán)境無(wú)污染、對人體無(wú)害的水和二氧化碳。
3．結論
（1）以酸浸蛋白土載體，以TiCl4為前驅體，采用水解沉淀和煅燒法制備的納米TiO2/蛋白土復合材料中納米TiO2以銳鈦礦型的形式負載在蛋白土表面上，晶粒為5~20nm，TiO2與蛋白土之間以化學(xué)方式結合，形成了新的Si-O-Ti鍵。
（2）納米TiO2/蛋白土復合材料具有良好的吸附和降解去除室內甲醛的性能，24h對甲醛的降解去除率可達到90%以上。
(桂林非金屬礦加工與應用技術(shù)交流會(huì ),發(fā)表于中國粉體技術(shù)雜志）
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