二氧化鈦包覆聚合物的復合微球的制備及其光催化性能研究.pdf

1、在社會和經(jīng)濟快速發(fā)展的同時,人類賴以生存的環(huán)境也遭到不同程度的污染破壞,在環(huán)境治理中TiO2由于化學性質(zhì)穩(wěn)定、抗光腐蝕、便宜、無毒并具有較高活性而得到了廣泛的研究與應用。 雖然如此但其有三個主要的缺點： ①量子產(chǎn)率低(約4％),總反應速率較慢,難以處理量大且濃度高的工業(yè)廢氣和廢水； ②太陽能利用率低,由于TiO2的能帶結(jié)構(gòu)決定了其只能吸收利用太陽光中的紫外線部分,而不能充分利用太陽光的可見光部分； ③光催

2、化劑的負載技術,難以在既保持高的催化活性又滿足特定材料的理化性能要求的前提下,在不同材料表面均勻、牢固地負載催化劑,使得催化劑不易分離再生。 為了改善TiO2的催化效率,并提高太陽能的利用率,提高其光催化反應的活性和選擇性,目前主要針對TiO2進行過渡金屬離子摻雜、貴金屬表面沉積、半導體復合、表面光敏化、增加表面缺陷結(jié)構(gòu)以及減小顆粒大小等方法來提高其量子效率以及擴展其光譜響應。本研究同時從控制TiO2粒子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及減小粒子

3、大小這兩方面來提高TiO2光催化的性能目的。 本研究選用硬模板法來制備TiO2的殼層材料,選用一種特許的帶正電的共聚單體和苯乙烯共聚合,使合成后的模板表面帶電,以利于TiO2的包覆。然后以此共聚合微球為模板,在溫和條件下,采用溶膠-凝膠的方法制得表面均勻包覆一層TiO2的殼層材料,最終目的為了提高TiO2的光催化性能。 首先研究了單分散的共聚微球模板的合成以及機理,確定了共聚合單體為甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺(MTC)

4、,共聚合微球制備的工藝路線和反應裝置。選定最佳聚合時間為20小時,合成了單分散的共聚微球。采用FT-IR,1H-NMR對共聚物結(jié)構(gòu)進行了表征,結(jié)果顯示MTC已經(jīng)聯(lián)入PS分子鏈中,形成了苯乙烯-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化胺(PS-MTC)共聚物；通過粘度的方法測定了共聚物PS-MTC的分子量,為M=3.86×105。 接著研究了各主要影響因素,引發(fā)劑(AIBN)、分散劑(PVP)、共聚單體(MTC)對聚合物微球粒徑尺寸、粒徑尺寸分

5、布及表面形貌的影響,最后確定了最佳參數(shù)條件。 最后,以此聚合物微球為模板通過溶膠一凝膠方法制備TiO2包覆聚合物的復合微球,同時研究各主要影響因素,前驅(qū)體鈦酸四丁酯(TBT)的加入量、氨水的滴加速度、不同共聚單體的用量對TiO2包覆后的顆粒粒徑以及形貌影響,并確定最佳工藝條件。 在最佳參數(shù)條件下,制備殼層為單層TiO2粒子密排列的復合微球,最后在甲基橙體系中研究其光催化性能。用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)

6、對聚合物微球,TiO2聚合物復合微球,TiO2中空微球進行了觀測研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：引發(fā)劑(AIBN)用量、分散劑(PVP)量都對微球的粒徑尺寸及粒徑尺寸分布有影響,AIBN加入量在0.4-0.8g,PVP在3g時能得到尺寸為1.5-1.8um單分散的微球。MTC的量不影響共聚微球的尺寸分布,在MTC量為0.2-0.4g時表面非常光滑,無破損,無缺陷,這為這種共聚物微球在進一步功能化時保證性能的均勻可靠奠定了基礎。鈦酸四丁酯(TBT)的加入

7、量,氨水的滴加速度,共聚單體的加入量都影響TiO2包覆后的粒子的大小,包覆后的表面形貌,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)鈦酸四丁酯(TBT)的加入量最佳為0.2g,加入MTC有利于TiO2粒子的包覆,最佳加入量為0.2-0.4g,氨水的滴加速度可以調(diào)節(jié)殼層TiO2晶粒的大小,在緩慢加入時能得到TiO2粒子均勻包覆的殼層,最佳滴加速度為1.33ml/min。在此最佳條件下制得的復合微球的表面殼層TiO2粒子粒徑范圍為20-30nm,通過溶解的方法制得的TiO2

8、的中空微球,其殼層厚度為20-30nm,說明制備的復合微球殼層為單層的TiO2粒子包覆,這能夠很好的提高TiO2的光催化性能。 由于TiO2的晶體結(jié)構(gòu)有多種,其銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體光催化性能最好,因此需要研究此種晶體形成的條件。先通過FT-IR研究了這種復合微球球核去除情況,然后通過DSC來研究了殼層TiO2的結(jié)晶,最后用廣角X射線衍射(XRD)對TiO2晶型進行了表征,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在520℃空氣氛條件下煅燒能得到銳鈦礦晶型結(jié)構(gòu)的TiO