简析二氧化钛纳米线的制备及其光学性能研究
纳米级二氧化钛是当前纳米材料科学研究的重点和热点,由于其微粒尺寸小、比表面积大,加上表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大,表现出许多不同于常规材料的新奇特性。在环境治理、光解水等领域显示出广阔的应用前景。
纳米TiO2的制备方法很多,有气相氧化法、水热法和溶胶-凝胶法等,但这些方法大都成本高,难于推广普及。因此,研究开发廉价、工艺简单的制备方法,来获得高性能的纳米TiO2是现今制备纳米TiO2技术所追求的主要目标。
1试验部分
1.1原材料
盐酸,分析纯,莱阳经济技术开发区精细化工厂;NaOH,分析纯,济南凯特精细化工有限公司;甲基橙,CP级,市售;TiO2粉体,工业品,自制。
1.2二氧化钛纳米线的制备
先将NaOH配制成浓度为10mol/dm3的溶液60ml,自制的TiO2粉体0.5g和一种特殊的♚有机溶剂3ml按一定的质量比例混合均匀,电磁搅拌4h后,将得到的白色悬浊液加入高压釜中,在烘箱中升温至150～180℃,恒温水热处理30～50h。水热反应完毕后,随炉冷却,在室温下将白色沉淀物用去离子水反复洗涤至中性状态,然后再超声分散,最后将产物在70℃烘干,所得粉体即为TiO2纳米线样品。
1.3二氧化钛形貌的表征
将待测样品喷金后用FEIQuanta200型号的扫描电镜进行形貌观察。
1.4XRD表征
将待测粉末样品用XpentPro型号的衍射仪进行XRD表征。
1.5光学性能表征
光学性能的测试实验主要用LambdaBIO40型紫外光谱、光谱辐射分析仪等仪器来进行样品紫外吸收性能和光致发光性能的分析。
1.6光降解试验
配制浓度为20mg/L的甲基橙溶液若干,分成两份,在相同条件下,分别加入TiO2原料粉和制备的TiO2纳米线粉末各10g/L,置于太阳光的照射下,每隔0.5h测试其对甲基橙的脱色效果。
2结果与讨论
2.1扫描电镜分析
结合图1、图2可见,水热处理前基本呈现粒状形貌,而水热处理后呈明显的线状。此形貌明显体现出高的比表面积,对构筑超敏感的化学传感器、改善有机-无机杂化太阳能电池的效率、提高光催化、光降解的效率等将是有益的。
2.2XRD分析
许多文献报道,在对TiO2水热处理调控其形貌的过程中需对其进行热处理,以使其晶型转웃化。我们参照文献的要求事先也进行了热处理。
2.3光学性能分析
紫外吸收和光致发光图谱的测试在室温下进行。从中可见,TiO2纳米线的光学吸收带边大约在380nm,在380～200nm之间的紫外光区域有强的吸收带,与TiO2原料粉体相比,TฌiO2纳米线的光学吸收带边的改变非常微小。在图中还可看出TiO2纳米线的吸收带相对于TiO2原料粉体展现出蓝移现象,这与半导体纳米微粒所表现的趋势相同。TiO2半导体的导带主要由Ti3d电子态组成,价带由O2p电子态组成,锐钛矿型TiO2的带隙值为3.2eV,与之对应的自由激子的吸收带边始于387nm[1]。锐钛矿型的TiO2纳米线比原料TiO2在紫外波段的吸收作用增强。
2.4光降解分析
为了研究TiO2纳米线的光催化作用,对比了TiO2纳米线与TiO2原料粉降解甲基橙的能力。随光照时间的延长,二者对甲基橙溶液都有明显的脱色效果,但纳米线显示出较强的脱色率。最终的实验结果如图6所示,原料降解后溶液的吸光度在波长段600～800nm为0.4左右,而纳米线降解后的溶液吸光度却几乎是其3倍,达到约1.15。在图6a)中560～600nm处曲线突然尖锐,说明此波段有较高的催化效果,但其原因还不明确。
3结论
用简单易行的水热法制备了高比表面积的TiO2纳米线,其晶型为锐钛矿型,长度可达几微米以上;
其ส紫外吸收光谱相对于原料粉呈现出蓝移现象。TiO2纳米线的光致发光谱也显示出蓝移现象,在可见光区的发光强度明显增强;
TiO2纳米线在降解甲基橙方面有较强的降解率,说明其具有较高的光催化性能。其原因是纳米线为锐钛ซ矿型,且具有大的比表面积和较多晶体缺陷。
