【導(dǎo)讀】化工、醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域都發(fā)揮重要的作用。本論文研究的主要內(nèi)容是：。的影響，從而確定最佳工藝參數(shù)。結(jié)構(gòu)和形貌，通過(guò)EDS對(duì)樣品進(jìn)行形貌分析。以亞甲基藍(lán)作為目標(biāo)降解物研究不。亞甲基藍(lán)的降解率最高。為時(shí)，所得到的TiO2催化率最高，為；當(dāng)鈷離子摻雜量為%和%時(shí)，所得到的Co-TiO2催化率最高，為%。TEM結(jié)果表明，最佳工藝參數(shù)下制備出的鈦氧化物為納。米管結(jié)構(gòu)，管長(zhǎng)為30-70nm,管徑為15nm左右。EDS分析表明鈷離子摻雜在二氧。這種在20世紀(jì)80年代末期誕生的新技術(shù)主要用于研究和處理尺寸在一百納。米以下的物質(zhì)[1]。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了粒徑小于1nm的納米材料，納米是一個(gè)非常小。的單位，當(dāng)物質(zhì)的粒徑小于100nm時(shí)，其物理化學(xué)特性會(huì)發(fā)生巨大的變化。諾貝爾獎(jiǎng)得主Feynman曾說(shuō)：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列施以。來(lái)了巨大的變革也推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。料、環(huán)保用品、家居用品、裝潢材料等。納米技術(shù)使我們的生活發(fā)生了前所未有

　　

【正文】 催化效果的影響， 確定制備純 TiO2納米管的最佳工藝參數(shù)。通過(guò)研究在紫外高壓汞燈照射下亞甲基藍(lán)的降解率來(lái)判斷分析 TiO2納米管的光催化性能。 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器 實(shí)驗(yàn)藥品 硫酸鈦（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司） ； 氫氧化鈉（分析純，北京化工廠） ； 鹽酸（分析純，北京化工廠）； 亞甲基藍(lán)（ 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 ）； 去離子水； 實(shí)驗(yàn)儀器 HJ4 多頭磁力攪拌器（金壇市醫(yī)療儀器廠）； 1011型恒溫干燥箱（上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司）； TDW 型系列控溫儀（上海東星建材 試 驗(yàn)設(shè)備有限公司） ； （上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司） ； 電子天平（丹佛儀器有限公司）； 紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）； TG16AWS 臺(tái)式高速離心機(jī)（上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司）； 光化學(xué)反應(yīng)儀（上海巖征實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）； 二氧化鈦的制備過(guò)程 本實(shí)驗(yàn)采用共沉淀法與水熱法相結(jié)合的方式制備二氧化鈦和鈷摻雜二氧化鈦納米管。實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程如下：在室溫下， 將 15mL1mol/L 的 Ti(SO4)2溶液中，和 15mL4mol/L 的 NaOH溶液 分別置于分液漏斗中以同樣的滴速 （ 45s/滴）滴加到同一個(gè)燒杯中并快速攪拌，即會(huì)有絮狀沉淀產(chǎn)生。 將所得的絮狀沉淀用蒸餾水洗至中性后，用 10mol/L 的 NaOH 溶液進(jìn)行水熱反應(yīng) 一段時(shí)間后取出，將所得的第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 24 樣品洗至中性后用 +再將樣品洗至中性后置于 60℃的烘箱中烘干，研磨成粉末后置于電阻爐中熱處理一定的時(shí)間，即可得到二氧化鈦納米管。 光催化實(shí)驗(yàn)過(guò)程 將一定量的樣品分別放入亞甲基藍(lán)溶液中，磁力攪拌條件下暗反應(yīng) ，取 亞甲基藍(lán) 溶液在 11000r/min 的離心機(jī)中離心 15min，然后用移液槍吸取上清液 于比色皿中在 波長(zhǎng)為 664nm 的紫外分光光度計(jì)中測(cè)試其吸光度。將暗反應(yīng)后測(cè)定的吸光度記為 A0。然后 將暗反應(yīng)后的亞甲基藍(lán)溶液放在 500W 汞燈作為光源的燈光下并伴隨攪拌 ， 每 20min 后取 6ml 溶液離心 15min， 取 上層清液測(cè)定其吸光度，記為 At。 通過(guò)式 ① 將吸光度轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸亴?duì)亞甲基藍(lán)的降解率 C: 100%A AA0t0 ??C ① 因?yàn)楣獯呋瘜?shí)驗(yàn)中二氧化鈦樣品的加入量 、亞甲基藍(lán)的起始濃度、光催化時(shí)間等因素對(duì)光催化反應(yīng)的結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生 影響，為了排除干擾，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，我們把光催化劑的加入量、目標(biāo)降解物的濃度、和催化時(shí)間分別設(shè)定為 50mg、20mg/L、 100min。 單因素實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中所產(chǎn)生的二氧化鈦納米管的光催化性能與水熱反應(yīng)的時(shí)間、溫度 和熱處理的時(shí)間、溫度有關(guān)。為了獲得光催化性能最優(yōu)的二氧化鈦納米管，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)單 因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)來(lái)分析，從而獲得制備二氧化鈦納米管的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。 本實(shí)驗(yàn)所制備的二氧化鈦樣品的性能以亞甲基藍(lán)的光催化降解率為評(píng)判依據(jù)，由于水熱反應(yīng)和熱處理的時(shí)間、溫度均會(huì)對(duì)樣品的性能產(chǎn)生影響， 所以進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析每個(gè)因素對(duì)樣品的影響及最佳反應(yīng)條件。在實(shí)驗(yàn)中，只有一個(gè)因素變化，其他的因素保持不變。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果可以為下面的正交試驗(yàn)提供合理的數(shù)據(jù)范圍。 水熱反應(yīng)溫度對(duì) TiO2納米管光催化性能的影響 用上述共沉淀法制備 5份純 Ti(OH)4樣品，改變水熱反應(yīng)的溫度，分別為 90℃、110℃、 130℃、 150℃、 180℃。將水熱反應(yīng)的時(shí)間 、 煅燒溫度、煅燒時(shí)間分別固第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 25 定為 24h、 450℃、 3h。按照 的制備過(guò)程得到二氧化鈦納米管，將所得到的樣品進(jìn)行光催化反應(yīng)， 測(cè)量吸光度換算為對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 和圖 表 水熱反應(yīng)溫度對(duì) TiO2降解率的影響 水熱反應(yīng)溫度 /℃ 水熱反應(yīng)時(shí)間 /h 煅燒溫度 /℃ 煅燒時(shí)間 /h 降解率 /% 90 110 130 24 450 3 150 180 圖 不同水熱反應(yīng)溫度的樣品降解率曲線 選擇不同的水熱反應(yīng)溫度制得的二氧化鈦納米管，由 表 可知， 亞甲基藍(lán)的降解率隨著水熱反應(yīng)溫度的增高而增大，當(dāng)水熱反應(yīng)溫度 為 110℃ 時(shí) ，降解率最大，達(dá) 到 %， 當(dāng)水熱反應(yīng)溫度超 過(guò) 110℃ 時(shí) ，亞甲基藍(lán)的降解率反而隨溫度的升高而減小。 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì) TiO2納米管光催化性能的影響 用共沉淀法制備 4份純 Ti(OH)4樣品，改變水熱反應(yīng)的時(shí)間， 分別為 12h、24h、 36h、 48h。將水熱反應(yīng)的溫度、煅燒溫度、煅燒時(shí)間分別固定為 130℃、第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 26 450℃、 3h按照 的制備過(guò)程得到二氧化鈦納米管，將所得到的樣品進(jìn)行光催化反應(yīng)，測(cè)量吸光度換算為對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 和圖 。 表 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì) TiO2降解率的影響 水熱反應(yīng)溫度 /℃ 水熱反應(yīng)時(shí)間 /h 煅燒溫度 /℃ 煅燒時(shí)間 /h 降解率 /% 12 130℃ 24 450 3 36 48 圖 不同水熱反應(yīng) 時(shí)間 的樣品降解率曲線 由圖 可以明顯地看出 ，亞甲基藍(lán)的降解率隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增大而增大，當(dāng)水熱反應(yīng)的時(shí)間達(dá) 到 24h 時(shí)，亞甲基藍(lán)的降解率最大，達(dá) 到 %。當(dāng)水熱反應(yīng)的時(shí)間繼續(xù)增大，超 過(guò) 24h時(shí)，降解率反而隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的增大而減小。 煅燒溫度對(duì) TiO2納米管光催化性能的影響 當(dāng) 水熱反應(yīng)的溫度、時(shí)間固定為 130℃、 24h 時(shí)，改變煅燒溫度分別設(shè)置為為 350℃、 400℃、 450℃、 500℃、 550℃煅燒 3h。制備過(guò)程與上述相似 。將所得到的樣品在相同的光催化條件下 進(jìn)行亞甲基藍(lán)降解實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)得的吸光度換算成亞甲基藍(lán)的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 和圖 。 表 煅燒溫度對(duì) TiO2降解率的影響 第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 27 水熱反應(yīng)溫度 /℃ 水熱反應(yīng)時(shí)間 /h 煅燒溫度 /℃ 煅燒時(shí)間 /h 降解率 /% 350 400 130 24 450 3 500 550 圖 不同煅燒溫度的樣品降解率曲線 由上圖可知，在其他條件不變的情況下，亞甲基藍(lán)的降解率隨著煅燒溫度的增大而增大，當(dāng)煅燒溫度達(dá) 到 400℃ 時(shí) ，亞甲基藍(lán)的降解率最高， 為 %當(dāng)溫度超 過(guò) 400℃ 繼 續(xù)增大，亞甲基藍(lán)的降解率反而降低。 煅燒時(shí)間對(duì) TiO2納米管光催化性能的影響 在 130℃下水熱反應(yīng) 24h 的 5組樣品分別在 450℃的溫度下煅燒 2h、 、3h、 、 4h，其他的制備過(guò)程與上述保持不變。將所得到的 5組樣品在相同的光催化條件下 對(duì)亞甲基藍(lán)進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得的吸光度轉(zhuǎn)換成對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 和圖 。 表 煅燒時(shí)間對(duì) TiO2降解率的影響 水熱反應(yīng)溫度 /℃ 水熱反應(yīng)時(shí)間 /h 煅燒溫度 /℃ 煅燒時(shí)間 /h 降解率 /% 2 第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 28 130 24 450 3 4 圖 不同煅燒時(shí)間的樣品降解率曲線 由上圖可知，煅燒的時(shí)間對(duì) TiO2的降解率有重要的影響， 當(dāng)煅燒時(shí)間 為 3h時(shí) ，亞甲基藍(lán)的降解率最高， 達(dá)到 %， 因?yàn)榫嗟男纬尚枰欢ǖ臅r(shí)間，當(dāng)煅燒時(shí)間過(guò)短時(shí)，銳鈦礦晶相還沒(méi)有形成，而煅燒時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大，活性表面積降低從而使亞甲基藍(lán)的降解率降低。 正交試驗(yàn)確定最佳反應(yīng)工藝參數(shù) 選擇水熱反應(yīng)時(shí)間，水熱反應(yīng)溫度，煅燒時(shí)間，煅燒溫度為四個(gè)因素， 選取上述單因素實(shí)驗(yàn)較好的數(shù)據(jù) 作為水平， 做下面四因素三水平的正交試驗(yàn) L9(34)從而 確定 二氧化鈦納米的最佳工藝參數(shù) 。 正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)如下表 . 表 正交試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì) 水熱溫度 /℃ 水熱時(shí)間 /h 煅燒溫度 /℃ 煅燒時(shí)間 /h 1 110 12 400 2 130 24 450 3 3 150 36 500 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的表頭，選取四因素三水平正交表，按照表 所給出的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下： 因素 水平 第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 29 表 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 編號(hào) A 水熱溫度 B 水熱時(shí)間 C 煅燒溫度 D 煅燒時(shí)間 降解率 /% 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 K1 K2 K3 K1 K2 K3 R 由表 可知，四個(gè)因素中影響二氧化鈦光催化效果的主次順序是：》 》 》即 對(duì)二氧化鈦光催化效果的影響最大，稍微改變 條件，所得到的樣品光催化 效果就會(huì)發(fā)生較大的浮動(dòng)； 的影響次之； 對(duì)樣品光催化效果的影響最小。由正交試驗(yàn)結(jié)果可知最佳工藝參數(shù)為 ABCD 即在 ℃的溫度下水熱反應(yīng) 個(gè)小時(shí)后的樣品水洗、烘干、研磨后在 ℃的條件下煅燒 時(shí)間等到的納米二氧化鈦光催化效果最好，對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率可達(dá) %。 本章小結(jié) 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)共沉淀法和水熱煅燒法制備二氧化鈦，以測(cè)量其 在高壓汞燈照射下 對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)水熱反應(yīng)溫度、水熱反應(yīng)時(shí)間、煅燒溫度、煅燒時(shí)間為 時(shí) ，所得的二氧化鈦的催化效果最好； 第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 30 第三章 鈷離子摻雜對(duì) TiO2光催化的影響 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)第二章第 六 節(jié) 正交試驗(yàn)得 出 的最佳工藝參數(shù) ，在該 條件下制備 金屬 鈷 離子 摻雜的 TiO2納米管， 通過(guò)研究在紫外高壓汞燈照射下亞甲基藍(lán)的降解率來(lái)判斷分析 TiO2納米管的光催化性能， 得到最優(yōu)的鈷離子摻雜量。再通過(guò) XRD、 TEM、EDS 對(duì)鈷摻雜 TiO2樣品進(jìn)行表征和分析。 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器 實(shí)驗(yàn)藥品 硫酸鈦（化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）； 氫氧化鈉（分析純，北京化工廠）； 六水合硝酸鈷（分析純，西隴化工股份有限公司）； 鹽酸（分析純，北京化工廠）； 亞甲基藍(lán)（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）； 去離子水； 實(shí)驗(yàn)儀器 HJ4 多頭磁力攪拌器（金壇市醫(yī)療儀器廠）； 1011型恒溫干燥箱（上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司）； TDW 型系列控溫儀（上海東星建材 試 驗(yàn)設(shè)備有限公司） ； （上海東星建材試驗(yàn)設(shè)備有限公司）； 電子天平（丹佛儀器有限公司）； 紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）； TG16AWS 臺(tái)式高速離心機(jī)（上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司）； 光化學(xué)反應(yīng)儀（上海巖征實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）； 鈷摻雜二氧化鈦的制備 在室溫下， 一定量的 Co(NO3)26H 2O 加入到 15mL， 1mol/L 的 Ti(SO4)2溶液中，再 量取 15mL， 4mol/L 的 NaOH 溶液，將兩種溶液以同樣的滴速 （ 4～ 5s/滴） 滴入同一燒杯中，即會(huì)有絮狀沉淀生成。待反應(yīng)完之后，將絮狀沉淀洗至中性之后 按第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 31 照 第二章第六節(jié) 中 正交試驗(yàn) 確定的最優(yōu)工藝條件制備 不同 鈷摻雜 量的二氧化鈦納米粉體 ( n%CoTiO2 ， n 為 Co 與 TiO2的摩爾比，本實(shí)驗(yàn)中 n=0、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 )， 其他步驟 與 制備 純 TiO2相同。 將所得到的樣品分別進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如 表 和圖 ： 表 不同鈷摻雜量的二氧化鈦光降解率 摻雜量 0 降解率 摻雜量 降解率 圖 不同鈷摻雜量的二氧化鈦光降解趨勢(shì) 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知鈷摻雜對(duì)二氧化鈦的光催化起促進(jìn)作用，因?yàn)?摻雜金屬鈷離子會(huì)在 Ti02晶格中引入新電荷、形成 晶體 缺陷或改變晶格類型 ,從而改變 光生電子和空穴的運(yùn)動(dòng)狀況 ，降低電子和空穴的復(fù)合率， 改變 Ti02 的能帶結(jié)構(gòu)。 但鈷摻雜量不是越多越好，由圖 可知，當(dāng)鈷離子的摻雜量為 %和 %時(shí) 所得的樣品光催化效果最好，可達(dá)到 %。當(dāng)鈷離子摻雜量超過(guò) %時(shí)，會(huì)減少二第四章 光催化過(guò)程及影響催化效率的因素 32 氧化鈦的有效作用面積，并且摻雜過(guò)量的鈷離子可能會(huì)成為電子與空穴的復(fù)合中心，增大電子與空穴的復(fù)合率，從而降低光催化降解率。 本章小結(jié) 利用最佳工藝參數(shù)制備鈷離子摻雜二氧化鈦，已測(cè)量其對(duì)亞甲基藍(lán)的降解率，確定不同鈷離子摻雜量對(duì)光催化效果的影響趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)鈷離子摻雜量 為