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| 納米TiO2/蛋白土復(fù)合材料的制備與表征 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2013-09-17 07:52:48 瀏覽次數(shù)： |
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（中國礦業(yè)大學(xué)，北京/劉超，鄭水林，宋貝，王彤彤）隨著人類環(huán)保意識的增強和全球環(huán)保標(biāo)準的提高, 控制環(huán)境污染已成為全世界越來越關(guān)注的問題。半導(dǎo)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(yīng)用潛力。納米TiO2作為一種光催化劑，具有光催化活性好、穩(wěn)定性強、對人體安全無毒、對皮膚無刺激性的特點，是一種極佳的環(huán)保應(yīng)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(yīng)用問題，納米TiO2 光催化復(fù)合材料的制備與研究已成為目前學(xué)術(shù)界的研究重點。
王利劍等成功的制備了納米TiO2/硅藻土復(fù)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(yīng)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(fù)合材料；馮利利等制備了TiO2/MCM-41復(fù)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(fù)合材料。
蛋白土是一種含水非晶質(zhì)或膠質(zhì)二氧化硅。蛋白土較常見為致密塊狀、鐘乳狀、瘤狀團塊、結(jié)核狀和球粒結(jié)構(gòu)，且具有納米級微孔，可以用來制作納米復(fù)合材料。本文以經(jīng)過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(fù)合材料，并在對材料主要性能進行表征的基礎(chǔ)上對材料的光催化降解甲醛性能進行了檢測。蛋白土原土經(jīng)過簡單酸處理后，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(fù)合光催化材料。
1．實驗
1.1 原料
實驗所用的酸浸蛋白土來源于錦州沈宏公司，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%，F(xiàn)e2O3 0.33%，燒失量0.96%。
1.2 納米TiO2/蛋白土復(fù)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行攪拌，隨后通過恒流泵勻速滴入一定量TiCl4溶液，攪拌10min后，通過恒流泵勻速滴入一定量硫酸銨，滴加完畢后，將水浴鍋內(nèi)水溫升至一定溫度。然后通過恒流泵勻速滴入氨水，調(diào)節(jié)到合適的pH值，反應(yīng)一定時間，過濾、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(fù)合材料。制備工藝路線如圖1所示：
圖1 制備工藝路線圖
采用荷蘭PHILIPS公司 Xpert X射線衍射儀(管電壓: 40kv，管電流: 40mA，Cu耙)對制備的樣品進行物相分析；日本日立公司H-800分析電鏡（分辨率：0.2044）進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 甲醛降解實驗
采用南京斯東柯電氣設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SGY-1型多功能光化學(xué)反應(yīng)儀為光催化實驗裝置，以白熾燈模擬太陽光源，在密封的環(huán)境艙內(nèi)進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(fù)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)皿同時放入環(huán)境艙中，每隔1h用大氣采樣器對艙內(nèi)氣體進行采樣，持續(xù)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(nèi)初始和凈化后甲醛濃度；η為甲醛降解率。
2．結(jié)果與討論
2.1 納米TiO2/蛋白土復(fù)合材料表征
2.1.1 物相分析
為了進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(fù)合材料樣品進行了XRD檢測，如圖2所示：
圖2 蛋白土及復(fù)合材料的XRD圖譜
2.1.2 FT-IR紅外分析
圖3為蛋白土與復(fù)合材料的紅外光譜圖。由紅外光譜圖分析可知，圖曲線1中1635.86 cm–1和3446.21 cm-1出現(xiàn)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，這主要與基體和復(fù)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]形成的線式Si—O—Si的伸縮振動吸收峰所致。958.42 cm-1處的吸收峰可歸屬為Ti—O—Si鍵特征峰，說明在納米TiO2/蛋白土復(fù)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(fù)合材料紅外光譜
對原礦和復(fù)合材料進行了TEM剖面分析, 并用日立H-800分析電鏡（分辨率：0.2044）進行取像分析，結(jié)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(fù)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(fù)合材料降解甲醛性能的對比。
圖6 蛋白土與復(fù)合材料對甲醛的去除率
納米TiO2/蛋白土復(fù)合材料光催化降解甲醛分為兩個過程，一是甲醛分子在復(fù)合材料表面吸附，二是吸附在復(fù)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(fù)合材料表面上的吸附是光催化降解能夠進行的先決條件，由于蛋白土具有較強的吸附性，甲醛分子會被吸附致蛋白土孔隙與表面上。
TiO2在太陽光的激發(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，同時與其活潑H原子生成新自由基，由此激發(fā)鏈式反應(yīng)，并最終將甲醛分解為對環(huán)境無污染、對人體無害的水和二氧化碳。
3．結(jié)論
（1）以酸浸蛋白土載體，以TiCl4為前驅(qū)體，采用水解沉淀和煅燒法制備的納米TiO2/蛋白土復(fù)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(jié)合，形成了新的Si-O-Ti鍵。
（2）納米TiO2/蛋白土復(fù)合材料具有良好的吸附和降解去除室內(nèi)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(yīng)用技術(shù)交流會,發(fā)表于中國粉體技術(shù)雜志）
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