王 凯(1988-), 男, 硕士研究生. E-mail:wangkai04@126.com
以钛酸四丁酯为钛源, 离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼([C4MIM]BF4)为辅助剂, 采用水热法制备了锐钛矿相的介孔二氧化钛。用盐酸和氨水调节反应前驱体的pH, 考察了pH在1~11变化范围内对离子液体-水制备二氧化钛体系的影响。采用X射线衍射和N2吸附-脱附对样品的晶相和孔结构进行表征。结果表明: 离子液体抑制了板钛矿二氧化钛的形成, 随着pH的增大样品的晶化程度增强。pH在1~9较大范围变化时, 其孔径分布较窄, 平均孔径随pH增大由6.6 nm减小到5.0 nm, 此时离子液体能较好的将样品粒径控制在9 nm左右。这与透射电镜分析结果相一致。
The mesoporous anatase TiO2 material was prepared by ionic liquid-assisted hydrothermal method using tetrabutyl titanate as titanium source and ionic liquid 1-butyl-3-methylimida-zolium tetrafluoroborate ([C4MIM]BF4) as template. The pH values of the starting suspensions were adjusted from 1 to 11 using HCl or NH3·H2O solution. The influence of pH on the ionic liquid-water system for the preparation of titanium dioxide was investigated. The obtained TiO2 samples were characterized with X-ray diffraction (XRD) and N2 adsorption-desorption measurements, respectively. The results showed that the addition of ionic liquid inhibited the formation of the brookite TiO2, and increasing pH values enhanced the crystallization. When the pH was changed at a wide range (pH=1~9), the pore size distributions of the samples were relatively narrow, and the average pore diameter was reduced from 6.6 nm to 5.0 nm by increasing pH value. At the same time, the average size of the TiO2 nanoparticles in the samples was controlled at about 9 nm by using ionic liquid-assisted hydrothermal method. This is consistent with the results of the transmission electron microscopy (TEM) analyses.
介孔TiO2由于其特殊的物理化学性质和独特的孔道结构, 在催化、光电转换、传感器以及电极材料等方面具有广阔的应用前景[ 1, 2]。特别是近年来, 随着环境污染日益严重, TiO2作为光催化剂的研究受到广泛关注[ 3]。二氧化钛有三种晶型: 金红石, 锐钛矿, 板钛矿。研究证实, 相对于金红石和板钛矿, 锐钛矿相因光生电子与空穴的复合率低具有更高的催化活性[ 4]。此外, 二氧化钛的光催化活性与它的晶体尺寸, 结晶度, 比表面积, 孔径等有关[ 5]。
离子液体是一种完全由阴阳离子组成且常温下呈液态的离子型化合物。在材料制备中具有以下优势: 1)蒸汽压很低, 不易挥发, 能更好的维持反应浓度; 2)界面张力低, 有较高的成核率; 3)界面能低, 在液态具有较强的形成氢键的能力, 可形成高度有序的结构, 是大多数分子自组装过程的基础[ 6]。使用离子液体制备TiO2已有相关报道, 例如Zheng等[ 7]在离子液体[C2MIM][Br]和盐酸混合溶液中水解TiCl4制备金红石相和金红石-锐钛矿复合相的TiO2纳米颗粒。Yu等[ 8]在离子液体[C4MIM]BF4的辅助下制备了掺杂TiO2光催化剂, 增强了其对可见光的响应。
二氧化钛光催化剂的物理化学性质与其制备方法和操作条件有关。制备二氧化钛的方法有水热法、 液相沉淀法、微乳液法、溶胶-凝胶法和醇盐水解沉积法等。相比而言, 水热法有以下优势: 在200℃以下晶体成型, 产物随着制备条件(如温度、时间、反应介质、添加剂等)的变化具有不同结构和形态, 环保而且低耗能, 设备要求简单, 控制反应调节容易, 所以在制备半导体以及其他的氧化物中, 水热制备是一种常用的方法[ 9]。本工作在水-离子液体([C4MIM]BF4)体系中使用水热法在180℃反应10 h制备了介孔锐钛矿相的纳米二氧化钛, 离子液体的使用不仅有利于介孔的形成, 而且抑制了板钛矿二氧化钛的形成, 并在此基础上探讨了pH对二氧化钛晶型和介孔结构的影响。
实验所用原料为离子液体[C4MIM]BF4 (纯度大于99%, 中国科学院兰州化学物理研究所)、钛酸四丁酯(分析纯, 天津市科密欧化学试剂有限公司)、盐酸(分析纯, 沈阳经济技术开发区试剂厂)、氨水(分析纯, 辽宁新兴试剂有限公司)、去离子水(自制)。
分别取离子液体 ([C4MIM]BF4) 0.5、1.0、1.5、2.0 mL溶于65 mL去离子水中, 用盐酸和氨水调节溶液的pH分别为1、3、6、9、11。将6.5 mL钛酸四丁酯缓慢加入到上面的混合溶液中剧烈搅拌30 min, 再次调节所得的悬浮溶液pH, 然后将所得悬浮液移入100 mL有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中, 水热反应在180℃反应10 h并自然冷却到室温。将得到的白色沉淀用乙醇洗涤3次, 蒸馏水洗涤2次, 80℃真空干燥10 h, 所得样品记作 x-IL-TiO2( x为离子液体添加量, x=0.5、1.0、1.5、2.0)。在相同实验条件下, 未添加离子液体的水体系所制备的样品记作TiO2。
采用日本岛津公司LabX XRD-6100型X射线衍射仪对样品进行孔有序性和相组成分析, Cu Kα射线, 管电压为40 kV, 管电流为30 mA。用美国康塔仪器公司的NOVA 2200e型比表面积及孔径分析仪(N2-Physisorption, BET)分析样品的比表面积和孔径分布, 样品在室温下以20℃/min的速率升至150℃保持6 h真空脱气干燥, 在77.3 K下进行N2吸附, 并用BET方程计算样品的比表面积, BJH法计算孔径和孔容。使用透射电子显微镜(Hitachi HT7700, 日本)对制备二氧化钛样品的粒径和孔结构进行观察。
图1为离子液体辅助下制备样品 x-IL-TiO2和不加离子液体制备样品TiO2的广角XRD图谱。由图1可以看出, 2 θ在25.1o、37.7o、48.1o、54.0o、55.1o、62.8o和75.2o处对应的是锐钛矿相的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)和(215)晶面的衍射峰, 样品1.5-IL-TiO2和2.0-IL-TiO2的衍射峰位置及峰值相对强度与标准卡片(JCPDS 89-4921)一致[ 10]。
样品TiO2在30.8o处对应的是板钛矿(121)晶面的衍射峰, 由于板钛矿(120)衍射峰和(111)衍射峰重合, 所以板钛矿相的出现导致了锐钛矿相(101)晶面衍射峰相对强度加强并稍微向更高的角度漂移。样品TiO2出现了锐钛矿和板钛矿的衍射峰, 说明样品TiO2是锐钛矿与板钛矿的混合体。由图1还可看出, 随着离子液体添加量的增加, 板钛矿的峰逐渐消失, 锐钛矿的峰得到加强。当离子液体加入量为1.5 mL时, 54.0o和55.1o的衍射峰明显分离, 说明离子液体的加入抑制了板钛矿的形成, 并对锐钛矿的晶化起到了促进的作用。
板钛矿型TiO2的晶体结构属正交晶系, 所属空间群为Pbca, 每个TiO6八面体有三条共用棱, 其中一条共用棱决定了晶体沿(100)方向分布, 另外两条共用棱决定了整个晶体沿(001)方向延伸。锐钛矿型 TiO2的晶体结构属四方晶系, 空间群为I41/amd。
如图2所示, 离子液体([C4MIM]BF4)完全是由咪唑阳离子和BF4-阴离子构成的, BF4-与TiO6八面体形成较强的氢键, 而咪唑阳离子之间会在π-π键的作用下结合在一起, 最后咪唑阳离子和BF4-阴离子在库仑力的作用下相互靠近排列。在氢键、π-π键以及库仑力的协同作用下, TiO6八面体之间趋向于固定棱之间的共边结合, 同时TiO6八面体的固定位点被体积较大的离子液体所占据形成空间位阻。这种结构促进了锐钛矿结构的生成同时抑制了板钛矿结构的形成, 从而起到了结构导向的作用。Yan等[ 11]在制备可控晶型二氧化钛及其光催化活性研究中也提到了氢键位阻对产物晶型的影响。认为SO42-离子可与TiO6八面体形成两个氢键从而产生了一定的位阻, 并对锐钛矿晶核的形成起到了促进作用, 因此可通过改变SO42-离子的浓度控制产物中锐钛矿和金红石的生成比例。此外, 离子液体界面张力低, 使TiO2成核率较高, 促进了晶体的形成。
图3给出了不同pH下制备的1.5-IL-TiO2的XRD图谱, 由图3可以看出随着pH的增大样品的XRD衍射峰呈增强的趋势, pH在1到9的变化过程中主衍射峰的半峰宽无明显变化, 说明晶粒尺寸并没有明显长大。
当pH=11时, 主衍射峰突然变高、半峰宽变窄, 说明晶粒尺寸突然变大。样品的平均晶粒尺寸用谢乐方程进行估算得出[ 12], 结果列于表1。当钛酸四丁酯加入到水溶液时, 水解反应立即发生从而生成Ti(OH) x(OC4H9)4- x, 反应式如下:
Ti(OC4H9)4 + x(OH-)→Ti(OH) x(OC4H9)4- x+ x(C4H9O-) (1)
由反应式(1)可知, pH越高, x值就越大, 水解速度就会相应变快。在一般的反应体系中, pH对TiO2平均晶粒尺寸有较大的影响, 样品晶粒的尺寸会随pH增高而逐渐增大[ 9]。但在水-离子液体([C4MIM]BF4)体系中, pH在1~9较宽的范围内, 晶粒的尺寸得到了很好控制, 均在9 nm左右。当pH继续增高到11时, 晶粒尺寸增大至14.8 nm。这可能是由于在pH< 9时, 溶液中OH-的含量相对较少, 对水解的促进作用较小, 此时离子液体中BF4-阴离子与水解产物形成氢键, 咪唑阳离子之间形成π-π键, 在库仑力的作用下完成自组装过程。因此在溶液pH< 9时, 在自组装的条件下离子液体中的较长有机链可有效地对TiO2的晶粒尺寸起到控制作用[ 13]。当pH增高到11时, 较高的OH-浓度加速了反应(1)的速率, 离子液体对晶粒尺寸的控制能力下降, 因此晶粒的尺寸突然增大, 表现出锐钛矿峰强度突然增强。
图4为不同pH制备条件下1.5-IL-TiO2的小角度XRD图谱, 由图可见, 随pH增加样品孔结构的有序度呈先增强后减弱的现象, 当pH=6时样品孔结构有序度最高。这可能是由于当pH过小时, 大量的H+与离子液体咪唑阳离子的竞争作用对离子液体自组装过程产生影响, 从而使有序度降低。而当pH过大时, TiO2的生成反应过快也不利于离子液体自组装过程的实现, 从而使有序度降低。
图5为不同pH下制备的1.5-IL-TiO2的N2吸附-脱附等温线。当pH=1、3、6、9时, 样品的等温线为典型的Ⅴ型等温线, 在中压端(相对压力 p/ p0 = 0.5~0.8; p为实验压力; p0为初始压力)出现介孔材料所特有的H2型迟滞回线, 由此可知所制备的样品1.5-IL-TiO2属于介孔材料[ 14]。在高压端( p/ p0 = 0.8~1.0)样品IL-TiO2的吸附量没有明显增加, 说明样品粒子堆积小孔道较少。当pH=11时, 中压端迟滞回线减弱, 高压端吸附量有所增加
由表1对比可知, 在pH=1~6时, pH对1.5-IL-TiO2颗粒的孔径结构没有太大的影响, 孔容无明显改变, 当pH增大, 样品的比表面积有所提高。当pH由6增大到11时, pH对IL-TiO2颗粒的孔径结构产生了较大的影响, 孔容降低, 样品的比表面积有大幅度下降。当pH=11时, 原有的孔径结构受到破坏。这可能是由于pH增大后前驱体水解速度过快, 离子液体无法充分发挥其模板剂的作用而造成的。
图6给出了不同pH下制备的1.5-IL-TiO2的孔径分布曲线, 当pH=1、3、6、9时, 样品的孔径分布比较集中, 并随着pH的增加孔径有逐渐变小的趋势, 当pH=11时, 孔径分布较广。这是因为随着pH的增大前驱体的水解速度加快, 能够起到模板剂作用的离子液体相对含量减少所导致的。当pH=11时, 由于前驱体水解速度过快导致离子液体无法充分的完成自组装过程, 其充当模板剂的作用很大程度上失效, 从而使得孔径分布比较广。
图7为不同pH条件下制备样品1.5-IL-TiO2的TEM照片。由图7可以看出, 当(a) pH=1和(b) pH =6时, 所得样品中TiO2的晶粒尺寸均为9 nm, 当(c) pH=11时, TiO2的晶粒尺寸为15 nm左右, 这与XRD分析结果相一致。另外, TiO2的孔道结构主要是由纳米晶粒在离子液体的作用下自组装形成的。由图7(a)和(b)可看出, 当pH=1和6时晶粒间的组装排列呈图中箭头方向, 具有一定的有序性, 从而使孔道具有相应的有序性, 但总体来看有序性较弱, 属于二氧化钛纳米粒子之间的简单堆积, 这与其小角度XRD谱峰较弱的现象相吻合。当pH=1时, 晶粒排列较为疏松, 形成的孔径较大, pH=6时, 晶粒排列变的较为密集, 形成的孔径相对减小。在pH=11时, 晶粒排列无序, 孔径分布不规则。
以钛酸四丁酯为钛源, 在水-离子液体([C4MIM]BF4)体系中使用水热法制备了大比表面积介孔锐钛矿相的纳米二氧化钛。在离子液体BF4-阴离子形成的氢键, 咪唑阳离子之间形成的π-π键以及库仑力的作用下, TiO2板钛矿结构受到抑制。与此同时, 所制备的纳米颗粒尺寸得到了有效控制, 在较广的pH范围(pH=1~9), 粒径约为9 nm, 并随着pH的增高所制备的锐钛矿晶化度逐渐增强。在pH为1~9时, 样品的介孔孔径分布均十分集中, 其平均孔径随pH增加呈减小趋势, 从6.6 nm减小到5.0 nm。pH增加到11时, 离子液体模板作用减弱, 样品孔径分布较广, 粒径增大至15 nm左右。这与TEM结果相一致。