介孔材料偏鈦酸熱處理后微觀結(jié)構(gòu)隨溫度及其光敏性能的變化

【引言】

偏鈦酸是一種比表面積高的介孔材料。通過適當?shù)臒崽幚砣コ佀嶂械乃肿樱瑫淖兤淇紫督Y(jié)構(gòu)。由于熱處理(部分脫水) 偏鈦酸可用于許多中孔率和高比表面積重要的應(yīng)用領(lǐng)域，因此對其孔隙結(jié)構(gòu)和晶體相隨熱處理的演化規(guī)律的研究受到了廣泛的關(guān)注。

【成果介紹】

Hyunho Shin等人將偏鈦酸粉末在空氣中加熱至800℃，研究了其結(jié)晶相、比表面積和孔徑的變化規(guī)律。使用Linseis的同步熱分析儀STA PT1000，在空氣中以10 °C/min的加熱速度對偏鈦酸粉末進行了熱重和差熱分析。偏鈦酸的熱失重分兩步進行：首先(12.4%)從100℃到542℃，第二個(5.2%)從542℃到900℃。這兩個階段都是由于水分子的消除，而第二階段的質(zhì)量損失也與清除存在于偏鈦酸中的SO₄^2-離子有關(guān)。當加熱溫度提高到800℃時，平均孔徑從3.14 nm增加到15.50 nm，比表面積從377.3 m²/g下降到54.5 m²/g。這些性質(zhì)的變化在第二階段失水開始的溫度(542℃)附近為明顯。羅丹明B染料的可見光光敏作用于部分脫水偏鈦酸表面優(yōu)于商業(yè)的P-25粉末，表明部分脫水的偏鈦酸具有高的比表面積，偏鈦酸應(yīng)用表面光敏作用是很重要的。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 偏鈦酸樣品的熱重(TG)和差熱分析(DTA)

圖2 不同熱處理溫度下偏鈦酸樣品的XRD圖譜

圖3 不同熱處理溫度下偏鈦酸樣品的紅外光譜

圖4 （a）原始材料以及（b）500℃和（c）700℃下熱處理的偏鈦酸粉末的FE-TEM圖像。插圖顯示選定區(qū)域的衍射圖樣

圖5 羅丹明B染料溶液在（a）P-25、（b）原始材料、（c）100℃、（d）400℃、（e）450℃和（f）800℃偏鈦酸樣品中紫外-可見光譜隨可見光照射時間的變化

圖6羅丹明B溶液在存在P-25、原始材料、100℃、400℃、450℃和800℃偏鈦酸樣品中的（a）光催化降解和（b）低色度移動(從553 nm)隨可見光照射時間的變化

【結(jié)論】

對大量生產(chǎn)的偏鈦酸在不同的空氣溫度下進行熱處理，研究了其結(jié)晶相、微觀結(jié)構(gòu)和孔徑的演變。同時，研究了羅丹明染料在熱處理(部分脫水)偏鈦酸表面的光敏性。偏鈦酸由納米晶銳鈦酸酶晶體(4.8 nm)與水分子混合而成。偏鈦酸的熱失重分兩步進行;首先(12.4%)從100℃到542℃，第二個(5.2%)從542℃到900℃。基于FT-IR，這兩步主要與水分子的去除有關(guān)，而第二步也與SO₄^2-離子的去除有關(guān)。偏鈦酸在800℃下保持了銳鈦礦的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。當溫度升高到800℃時，平均孔徑從3.1 nm增加到15.5 nm，比表面積從377.3 m²/g下降到54.5 m²/g。這些性質(zhì)的變化在第二階段失水開始的溫度(542℃)附近為明顯。基于FE-TEM圖像和選定的區(qū)域衍射(SAD)模式，銳鈦礦酶顆粒的清晰邊界在高溫下隨著水分子的消失而演化，而銳鈦礦酶的無定形性質(zhì)的證據(jù)在700℃時被檢測到。在不同溫度下對偏鈦酸進行熱處理，其吸光度無明顯變化。吸光度非常類似于商業(yè)用的P-25粉末，表明鈦酸的光吸收主要使銳鈦礦納米晶體。100°C的鈦酸的可見光光催化活性高于原鈦酸。隨著熱處理溫度進一步升高至800℃，光活度下降到與P-25 TiO₂的光活度相近的水平。通過表面脫乙基反應(yīng)實現(xiàn)了對羅丹明B的光活性。