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(sol-ge1)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(37%),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(FEICompany)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(PanalyfiealCompany)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(SPR-920D)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,以使其晶型转化。我们参照文献的要求事先也进行了热处理(600℃2h)。

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,TiO2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

(1)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;

(2)其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;

(3)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矿型,且具有大的比表面积和较多晶体缺陷。