1．实验目的

1)掌握溶胶-凝胶法合成纳米级半导体材料TiO2。

2）熟悉无机化学的水解反应理论，物理化学的胶体理论。

3)掌握纳米二氧化钛光催化降解甲基橙水溶液的原理及方法。

2．实验原理

纳米TiO2具有许多独特的性质，如表面张力大、熔点低、吸收紫外线的能力强、表面活性大、热导性能好、分散性好等，具有广阔的应用前景。例如，利用纳米TiO2作为光催化剂，可处理有机废水，其活性比普通TiO2（约10μm）高得多；利用纳米TiO2透明性和散射紫外线的能力，可用于食品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆品防晒霜等；利用其光电导性和光敏性，可开发一种TiO2感光材料。目前合成纳米二氧化钛粉体的方法主要有液相法和气相法。由于传统的方法难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化剂，因此，本实验采用溶胶-凝胶法来制备纳米二氧化钦光催化剂。

制备溶胶所用的原料为钦酸四丁酯[Ti(O-C4H9)4]、水、无水乙醇(C2H5OH）以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9)4和水，分相介质为C2H5OH，冰醋酸可调节体系的酸度以防止钦离子水解过速。使Ti(O-C4H9)4在C2H5OH中水解生成Ti(OH)4，脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石型和锐钛型二氧化钦。

钛酸四丁酯在酸性条件下、在乙醇介质中的水解反应是分步进行的，总水解反应表示为下式，水解产物为含钦离子的溶胶。

Ti（O-C4H9）4+4H2O→Ti（OH)4+4C4H9OH

一般认为，在含钛离子溶液中，钛离子通常与其他离子相互作用形成复杂的网状基团。

上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定凝胶。

Ti（OH)4＋Ti（O-C4H9)4→2TiO2+4C4H9OH

Ti（OH)4＋Ti（OH)4→2TiO2+4H2O

3．仪器和药品

(1）仪器

X射线衍射仪；马弗炉；光催化反应器；可见分光光度计；高速冷冻离心机；超声波细胞粉碎机；恒温磁力搅拌器；搅拌子，三口烧瓶（250ml)；恒压漏斗（50ml)；量筒（10ml,50ml)；烧杯（1000ml)。

(2）药品

钛酸正四丁酯（分析纯）；无水乙醇（分析纯）；冰醋酸（分析纯）；盐酸（分析纯）；蒸馏水；甲基橙。

4．实验步骤

(1)溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛

以钛酸正丁酯[Ti(OC4H9)4]为前驱物，无水乙醇(C2H5OH）为溶剂，冰醋酸（CH3COOH）为鳌合剂，制备二氧化钛溶胶。

室温下量取l0ml钛酸丁酯，缓慢滴入到35ml无水乙醇中，用磁力搅拌器强力搅拌l0min,混合均匀，形成黄色澄清溶液，标记为A组分。将4ml冰醋酸和l0ml蒸馏水加到35ml无水乙醇中，剧烈搅拌，滴入1-2滴盐酸，调节pH值使pH-3，得到溶液，标记为B组分。室温水浴下，在剧烈搅拌下通过恒压漏斗将A组分缓慢滴入B组分中，滴速大约为2-3ml/min。滴加完毕后得到浅黄色溶液，继续搅拌半小时后，升温至40℃水浴加热2h，得到白色凝胶（倾斜烧瓶凝胶不流动）。再在60℃保温4h后放入烘箱中，80℃干燥20h，得黄色晶体，研磨，得到淡黄色粉末。在不同的温度下（300℃、400℃、500℃、600℃）热处理2h，得到不同的二氧化钛（纯白色）粉体。

(2)产物结构表征

X射线衍射（XRD）测定：将二氧化钛粉末放置到衍射仪样品台上，Cu-Ka辐射，管电压40kV，管电流30mA，扫描范围20°-80°，扫描速度4deg/min。

(3)催化降解甲基橙水溶液

1)配制起始浓度为20mg/L的甲基橙水溶液500ml置于1000ml烧杯中，在玻璃棒搅拌下加入0.05g纳米二氧化钛。

2）将上述悬浊液移入光催化反应器中，开通循环冷凝水，在黑暗状态下磁力搅拌约20min后，取样5ml，高速离心（16000转／s)10min后，取上层清液用分光光度法测定其吸光度A0。

3）开启紫外灯，每隔20min取样5ml进行高速离心分离，取上层清液用分光光度法测定其吸光度At。

5．数据记录及结果分析

(1)XRD数据分析

根据同种晶体的粒径大小与其衍射峰的宽度成反比关系，依据谱图中衍射峰的宽度定性判断所检测物质（粉末或薄膜）的粒径大小。

锐钛矿相的特征峰出现在2θ=25.14°,37.18°,47.16°；金红石相的特征峰出现在2θ=27.14°,36.10°,54.13°。将经300℃、400℃、500℃、600℃热处理的纳米二氧化钛的XRD谱图与标准谱图进行比较，分析产物相态结构。

(2)光催化降解甲基橙数据记录及计算结果填入表2-15-1

按公式D%=（A0一At)/A0×100％计算降解率。

(3）作图

利用降解率D（％）对降解时间t(min)作图。

6．注意事项

1)所有仪器必须干燥。

2）滴加溶液的同时应剧烈搅拌，防止溶胶形成的过程中产生沉淀。