介孔材料偏鈦酸熱處理后微觀結構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。通過適當的熱處理去除偏鈦酸中的水分子，會改變其孔隙結構。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用領域，因此對其孔隙結構和晶體相隨熱處理的演化規律的研究受到了廣泛的關注。

【成果介紹】

Hyunho Shin等人將偏鈦酸粉末在空氣中加熱至800℃，研究了其結晶相、比表面積和孔徑的變化規律。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，而第二階段的質量損失也與清除存在于偏鈦酸中的SO₄^2-離子有關。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于商業的P-25粉末，表明部分脫水的偏鈦酸具有高的比表面積，偏鈦酸應用表面光敏作用是很重要的。

【圖文導讀】

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

【結論】

對大量生產的偏鈦酸在不同的空氣溫度下進行熱處理，研究了其結晶相、微觀結構和孔徑的演變。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，而第二步也與SO₄^2-離子的去除有關。偏鈦酸在800℃下保持了銳鈦礦的結晶結構。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的證據在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實現了對羅丹明B的光活性。