二氧化钛纳米管的制备及其表征

林幸 刘维良

（景德镇陶瓷学院，景德镇： 333001）

二氧化钛纳米管的制备及其表征

林幸 刘维良

（景德镇陶瓷学院，景德镇： 333001）

采用水热法，以P25（TiO2）粉体和NaOH溶液为反应原料，水热反应制备出TiO2纳米管。采用透射电镜(TEM)、X-射线衍射（XRD）等手段对制得的纳米管的形貌、结构、组成进行了表征，并研究了其光催化性能。实验结果表明：实验所得产物为TiO2纳米管，晶型为锐钛矿型，呈多管壁结构,外径为10～30纳米,长度为几百纳米至几微米。在紫外光照射下，TiO2纳米管对亚甲基蓝（MB）的光催化降解率高于P25粉，80分钟后降解率达到60%。

水热反应，TiO2纳米管，光催化降解

1 引言

具有光催化性能的半导体（TiO2、WO3、CdS、ZnS、ZnO、CdSe等）已成为当今环境、化学等领域的一个研究热点。这些半导体对许多烃类、卤代芳烃、染料、农药、油类等物质具有很好的降解作用，能处理多种污染物[1]。其中TiO2由于抗化学和光腐蚀、性质稳定、催化活性高、无毒、价廉等优点而受到特别的关注[2]。TiO2纳米管又是其中的一种存在形式，与TiO2纳米粉体相比，TiO2纳米管具有更大的比表面积和孔体积，能大幅度提高它的光催化性能,因此被广泛用于光催化剂和半导体电池中[3-5]。

TiO2纳米管的制备方法主要有溶胶-凝胶法、模板合成法、阳极氧化法和水热合成法等[6]。水热合成法相对于其它几种方法的特点是：合成过程中能直接生成氧化物晶体，无需煅烧，避免了纳米管的硬团聚及煅烧过程中出现的断裂现象。

2 实验

2.1 T i O2纳米管的制备与表征

称取 2g P25（TiO2）粉末置于装有 30ml、10mol/L NaOH的聚四氟乙烯高压反应釜中，将反应釜密封后置于150℃下保温12h,水热处理后,自然冷却至室温,将所得白色沉淀物用稀硝酸、去离子水、无水乙醇反复清洗直至中性。然后将其70℃下烘干12h，即可得到TiO2纳米管样品。

2.2 测试实验

运用D8-Advance型X射线衍射仪对样品进行晶型测试，TEM JSM-6700F型高分辨透射电子显微镜对样品进行超微观结构分析，用Lambda25型紫外可见分光光度仪测试吸光度，对其光催化活性进行测定。

2.3 光催化实验

以紫外光照射下催化降解亚甲基蓝（MB）为模型来评价所制备的TiO2纳米管的光催化活性。现将原料P25粉与TiO2纳米管进行对比，比较其光催化活性。配置30mg/L亚甲基蓝溶液100ml置于200ml容积的烧杯中，测定其初始吸光峰值Ao，称取0.2g光催化剂置于上述溶液中,开启搅拌器搅拌20min，使光催化剂粉末在溶液中分布均与。在紫外光照射下隔20分钟取一次样，采用Lambda25型紫外可见分光光度仪测试其降解后吸光峰值A，降解率r如式1所示。

式中，A0和A为溶液的初始吸光峰值和降解后吸光峰值；C0和C为溶液的初始浓度和降解后浓度。

3 结果与讨论

3.1 物相分析

将所得粉末样品进行XRD分析，衍射谱如图1所示。TiO2纳米管的X射线衍射图与标准卡JCPDS对比可知，XRD图谱中的特征峰值均对应于锐钛矿晶型的特征峰值，因此推断实验所得的TiO2纳米管为锐钛矿晶型。

3.2 显微结构分析

如图2a所示，用水热制备的纳米管是两端开口，中空的管状结构，而非实心的纳米线。图2b、c为纳米管的高分辨透射电镜（HRTEM）图像，从图中可知纳米管为多层壁结构，管壁分布为5～13层，管壁层间距大约为0.8nm。纳米管内径分布为5～8nm，外径分布为10～30nm，长度从几百纳米到几微米。在TEM测试过程中，随着时间的延长，纳米管壁出现消失现象，导致管壁结构的不完整性，因此它的稳定性还有待进一步的研究。

3.3 光催化效率分析

如图3所示，在紫外光照射下TiO2纳米管对亚甲基蓝（MB）的降解率在任何时间段都高于P25粉，其主要原因可能是由于TiO2纳米管具有较大的比表面积和较好的吸附能力，在表面上吸附了更多的亚甲基蓝，提供了更多的反应点，促使其在紫外光下光催化能力高于P25粉。

4 结论

运用水热法制备得到的TiO2纳米管，晶型为锐钛矿型，呈多管壁结构，管壁分布为5～13层，管壁间距大约0.8nm，纳米管内径分布为5～8nm，外径分布为10～30nm，长度从几百纳米到几微米。紫外光照射下，TiO2纳米管对亚甲基蓝的光催化降解效率高于P25粉，照射80分钟后对亚甲基蓝的降解率为60%。

1 黄艳娥,据行松.纳米二氧化钛催化降解水中有机污染物的研究进展.化工环保,2002,22(1):200～203

2 刘志海,李澄等.钴离子置换钛酸盐纳米管的制备和光催化活性研究.陶瓷学报,2007,28(2):94～98

3 郭孟狮,杨靖华.李荀等,TiO2纳米管研究及应用进展.化工新型材料,2006,34(7):14～16

4 Motonari Adachi,Yusuke Murata,Makoto Harada and Susumu Yoshikawa.Formation of titania nanotubes with high photo-catalytic activity.The Chemical Society of Japan,2000,611(11):942～943

5 Chedarampet S.Karthikeyan,Helga Wietasch and Mukundan Thelakkat.Highly efficient solid-state dye-sensitized TiO2solar cells using donor-antenna dyes capable of multistep charge-transfer cascades.Adv.Mater.,2007,19:1091～1095

6 陈晓娟,彭芳光.TiO2纳米管的制备、改性及应用研究.铁道建筑技术,2008(增),296～299

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF TiO2NANOTUBE

Lin Xing Liu Weiliang
(Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001)

TiO2nanotubes were synthesized by hydrothermal process,using P25 (TiO2)powder and NaOH as the reactant.The micro-morphology,structure and composition of titania nanotube (TNT)were characterized by TEM and XRD,and the photocatalytic activity was studied.The results showed that the product is anatase TiO2nanotubes with multi-storey tube wall,10nm～30nm in the external-diameter,several nanometers to tens in the length.In the ultraviolet light,the photocatalytic degradation rate ofMB by TNT was 60%in eighty minutes,higher than the photocatalytic degradation by P25.

hydrothermal process,TiO2nanotubes,photocatalytic degradation

on Dec.30,2009

T Q 1 7 4.7 5

A

1000-2278（2010）02-0226-03

2009-12-30

江西省教育厅科研项目资助（编号：2007219）

刘维良，E-mail:jdzweiliang@163.com

Liu Weiliang,E-mail:jdzweiliang@163.com