偏钛酸的微观结构随温度及其光敏性能的变化

【引言】

偏钛酸是一种比表面积高的介孔材料。通过适当的热处理去除偏钛酸中的水分子，会改变其孔隙结构。由于热处理(部分脱水) 偏钛酸可用于许多中孔率和高比表面积重要的应用领域，因此对其孔隙结构和晶体相随热处理的演化规律的研究受到了广泛的关注。

【成果介绍】

Hyunho Shin等人将偏钛酸粉末在空气中加热至800℃，研究了其结晶相、比表面积和孔径的变化规律。使用Linseis的同步热分析仪STA PT1000，在空气中以10 °C/min的加热速度对偏钛酸粉末进行了热重和差热分析。偏钛酸的热失重分两步进行：第一个(12.4%)从100℃到542℃，第二个(5.2%)从542℃到900℃。这两个阶段都是由于水分子的消除，而第二阶段的质量损失也与清除存在于偏钛酸中的SO₄^2-离子有关。当加热温度提高到800℃时，平均孔径从3.14 nm增加到15.50 nm，比表面积从377.3 m²/g下降到54.5 m²/g。这些性质的变化在第二阶段失水开始的温度(542℃)附近最为明显。罗丹明B染料的可见光光敏作用于部分脱水偏钛酸表面优于商业的P-25粉末，表明部分脱水的偏钛酸具有高的比表面积，偏钛酸应用表面光敏作用是很重要的。

【图文导读】

图1 偏钛酸样品的热重(TG)和差热分析(DTA)

图2 不同热处理温度下偏钛酸样品的XRD图谱

图3 不同热处理温度下偏钛酸样品的红外光谱

图4 （a）原始材料以及（b）500℃和（c）700℃下热处理的偏钛酸粉末的FE-TEM图像。插图显示选定区域的衍射图样

图5 罗丹明B染料溶液在（a）P-25、（b）原始材料、（c）100℃、（d）400℃、（e）450℃和（f）800℃偏钛酸样品中紫外-可见光谱随可见光照射时间的变化

图6罗丹明B溶液在存在P-25、原始材料、100℃、400℃、450℃和800℃偏钛酸样品中的（a）光催化降解和（b）低色度移动(从553 nm)随可见光照射时间的变化

【结论】

对大量生产的偏钛酸在不同的空气温度下进行热处理，研究了其结晶相、微观结构和孔径的演变。同时，研究了罗丹明染料在热处理(部分脱水)偏钛酸表面的光敏性。偏钛酸由纳米晶锐钛酸酶晶体(4.8 nm)与水分子混合而成。偏钛酸的热失重分两步进行;第一个(12.4%)从100℃到542℃，第二个(5.2%)从542℃到900℃。基于FT-IR，这两步主要与水分子的去除有关，而第二步也与SO₄^2-离子的去除有关。偏钛酸在800℃下保持了锐钛矿的结晶结构。当温度升高到800℃时，平均孔径从3.1 nm增加到15.5 nm，比表面积从377.3 m²/g下降到54.5 m²/g。这些性质的变化在第二阶段失水开始的温度(542℃)附近最为明显。基于FE-TEM图像和选定的区域衍射(SAD)模式，锐钛矿酶颗粒的清晰边界在高温下随着水分子的消失而演化，而锐钛矿酶的无定形性质的证据在700℃时被检测到。在不同温度下对偏钛酸进行热处理，其吸光度无明显变化。吸光度非常类似于商业用的P-25粉末，表明钛酸的光吸收主要使锐钛矿纳米晶体。100°C的钛酸的可见光光催化活性高于原钛酸。随着热处理温度进一步升高至800℃，光活度下降到与P-25 TiO₂的光活度相近的水平。通过表面脱乙基反应实现了对罗丹明B的光活性。