常压干燥制备二氧化钛气凝胶及其表面改性研究

摘要

二氧化钛(TiO2)气凝胶是由TiO2粒子相互聚集构成的内部充满气态分散介质的纳米多孔网络固体材料，兼有TiO2优异的催化性能、无毒性、化学稳定性和气凝胶的高比表面积、高孔隙率等特性，因而具有十分重要的应用前景。目前，TiO2气凝胶的干燥方式主要采用超临界干燥技术，该技术制备的气凝胶具有高比表面积、粒径分布均匀、大孔容等特点，但其成本高、操作复杂、安全性差，制约着该干燥技术的推广应用，发展常压干燥技术是克服这些不足的有效途径。
　　本文在综合论述气凝胶和TiO2气凝胶研究现状的基础上，采用溶胶-凝胶结合常压干燥技术，制备出TiO2气凝胶，分析了影响凝胶时间和气凝胶品质的诸多因素，获得制备气凝胶的最优工艺配比和工艺方案;在此基础上，添加表面活性剂对常压干燥TiO2气凝胶进行表面改性研究，分析其对气凝胶凝胶时间和物化特性的影响规律;最后，对比讨论了改性前后气凝胶的光催化性能，为TiO2气凝胶的研究及应用奠定重要基础。
　　以钛酸丁酯为原料，采用溶胶-凝胶结合常压干燥技术，制备出TiO2气凝胶，适宜的工艺参数为:钛酸丁酯∶乙醇∶水∶醋酸∶甲酰胺=1∶24∶6∶1.8∶0.5(摩尔比)，溶液滴加速度为1滴/秒，表面修饰剂选取体积比为1∶3的正硅酸乙酯和乙醇混合溶液，低表面张力溶剂选取乙醇和正己烷进行溶剂置换;该工艺条件下制备的TiO2气凝胶样品轻质多孔，具有均匀的网络结构，骨架和孔道均处于纳米级，表观密度为0.818 g/cm3，孔隙率为79％，比表面积为416.6 m2/g，平均孔径为8 nm，900℃时仍能保持在锐钛矿相。
　　在常压干燥的工艺基础上，添加非离子型表面活性剂PEG2000和三嵌段共聚物F127对TiO2气凝胶进行表面改性，得到了物化性能更优的TiO2气凝胶，其表观密度可降至0.261 g/cm3，气孔率为93.3％，比表面积高达494.9 m2/g;分析了PEG2000和F127对气凝胶样品凝胶时间、密度、表观形貌、比表面积等的影响，前者对提高比表面积有利，后者有助于降低表观密度;分析了热处理对气凝胶结构和性质的影响;探讨了非离子型表面活性剂在体系中的作用机理。
　　对常压干燥制备的TiO2气凝胶样品进行光催化降解罗丹明B溶液的研究，研究发现其具有很好的光催化降解性能，并分析了热处理温度、制备工艺和表面修饰对催化活性的影响;初步探讨了罗丹明B的光催化降解机理，其伴随着脱乙基和生色基团降解两个竞争过程，反应前期主要是生色基团降解，后期则以脱乙基为主。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 气凝胶研究现状

1．1．1 气凝胶的定义及结构特点

1．1．2 气凝胶的研究现状

1．1．3 气凝胶的分类

1．1．4 气凝胶的制备方法

1．1．5 气凝胶的应用

1．2 TiO2气凝胶的研究现状

1．2．1 光催化原理

1．2．2 TiO2气凝胶研究现状

1．3 立题依据和研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验条件

2．1．1 实验原料

2．1．2 仪器设备

2．2 TiO2气凝胶的常压干燥制备及表面改性

2．2．1 TiO2气凝胶常压干燥制备

2．2．2 常压干燥制备TiO2气凝胶的表面改性

2．3 分析表征方法

2．3．1 凝胶时间

2．3．2 表观密度

2．3．3 气孔率

2．3．4 热重-差热分析

2．3．5 物相分析

2．3．6 红外光谱

2．3．7 表面形态

2．3．8 透射电镜

2．3．9 比表面积及孔径分布

2．3．10 紫外-可见吸收光谱

第三章 TiO2气凝胶的常压干燥制备与表征

3．1 TiO2气凝胶刺备过程中的影响因素

3．1．1 溶液滴加速度的影响

3．1．2 无水乙醇的影响

3．1．3 水的影响

3．1．4 醋酸的影响

3．1．5 螯合剂的影响

3．1．6 甲酰胺的影响

3．1．7 表面修饰剂的影响

3．1．8 低表面张力溶剂的影响

3．2 TiO2气凝胶的结构及性能分析

3．2．1 样品的品质

3．2．2 热稳定性

3．2．3 红外光谱

3．2．4 相组成

3．2．5 表观形貌

3．2．6TEM

3．2．7 比表面积和孔径分布

3．3 本章小结

第四章 常压干燥制备TiO2气凝胶的表面改性

4．1 表面活性剂对气凝胶制备的影响

4．1．1 表面活性剂添加方式的选择

4．1．2 凝胶时间

4．1．3 样品品质

4．1．4 表观密度和气孔率

4．1．5 表观形貌

4．1．6 比表面积和孔径分布

4．2 热处理对气凝胶的影响

4．2．1 热稳定性

4．2．2 红外光谱

4．2．3 物相

4．2．4 表观形貌

4．2．5 TEM

4．3．6 比表面积和孔径分布

4．3 表面活性剂的作用机理探讨

4．4 本章小结

第五章 TiO2气凝胶光催化降解罗丹明B研究

5．1 光催化实验

5．1．1 光催化装置

5．1．2 实验步骤

5．1．3 测定工作曲线

5．1．4 光催化活性的评价方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 热处理温度对光催化活性的影响

5．2．2 不同工艺制备气凝胶的光催化活性比较

5．2．3 气凝胶与未表面修饰后处理样品的光催化性能比较

5．3 TiO2气凝胶光催化罗丹明B机理探讨

5．4 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果