纳米TiO2在水中分散稳定性的影响因素及光催化性能研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1251

摘要/Abstract

摘要：

纳米TiO₂的分散稳定性极大影响其应用性能。本文采用溶胶凝胶法制备不同粒径的纳米TiO₂，将其分散到水中，对不同条件下的纳米TiO₂分散稳定性进行了表征与分析，并研究其降解罗丹明B的光催化性能。结果表明，纳米TiO₂在水中的沉降速率随晶粒尺寸的减小而降低。纳米TiO₂分散液pH值为2时，分散稳定性最好；pH值为4时，由于接近等电点，沉降速率大；纳米TiO₂分散液在碱性环境下的Zeta电位绝对值小于在酸性环境下的，分散液的稳定性差。六偏磷酸钠对纳米TiO₂的分散效果最佳，加入量为30%（质量分数）时，10 d后分散液仍保持很好的稳定性。纳米TiO₂的分散稳定性越好时，光催化降解率越高，使用粒径为31.0 nm的纳米TiO₂，加入六偏磷酸钠作分散剂，调节纳米TiO₂分散液pH值为2时，罗丹明B溶液30 min降解率达到90.1%，60 min降解率达到99.2%，说明改善纳米TiO₂在水中的分散性能极大地提高其光催化效率。

关键词: TiO₂, 稳定性, 分散剂, 光催化性能, 纳米粉体, Zeta电位

Abstract:

The dispersion stability of nano-TiO₂ greatly affects tis application performance. In this paper， nano-TiO₂ with different particle sizes were prepared by the sol-gel method and dispersed in water. The dispersion stability of nano-TiO₂ under different conditions was characterized and analyzed， and its photocatalytic performance in degrading Rhodamine B was investigated. The results show that the sedimentation rate of nano-TiO₂ in water decreases with the decrease of particle size of nano-TiO₂. The dispersion stability of the nano-TiO₂ suspension is the best when pH 2. At pH 4， the sedimentation rate is high because this pH value is close to the isoelectric point. The absolute value of Zeta potential in an alkaline environment is lower than that in an acidic environment， resulting in poor stability of the nano-TiO₂ suspension. Sodium hexametaphosphate exhibits the best dispersion performance on nano-TiO₂. When the dosage of sodium hexametaphosphate is 30% （mass fraction）， the nano-TiO₂ suspension still maintains excellent stability after 10 d. Higher dispersion stability of nano-TiO₂ corresponds to higher photocatalytic degradation efficiency. With nano-TiO₂ of 31.0 nm， sodium hexametaphosphate as the dispersant， and pH value of the nano-TiO₂ suspension adjusted to 2， the degradation rate of Rhodamine B solution reaches 90.1% at 30 min and 99.2% at 60 min， indicating that improving the dispersion of nano-TiO₂ in water significantly enhances its photocatalytic efficiency.

Key words: TiO₂, stability, dispersant, photocatalytic performance, nanopowder, Zeta potential

中图分类号:

TB383

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图/表 10

表1 制备不同纳米TiO2试样的试剂用量及晶粒尺寸

Table 1 Reagent amounts and grain size for preparing different nano-TiO2 samples

Sample No.	Reagent amounts/mL				Grain size/nm
Sample No.	C₁₆H₃₆O₄Ti	C₂H₅OH	CH₃COOH	H₂O	Grain size/nm
T1	10	60	10	25	80.9
T2	5	60	10	20	44.6
T3	10	60	10	30	83.7
T4	10	60	10	10	31.0
T5	15	60	10	20	80.9
T6	8	60	10	20	70.3

图1 不同试剂配比制备纳米TiO2试样的XRD谱

Fig.1 XRD patterns of nano-TiO2 samples prepared by different reagent ratios

图2 不同试剂配比制备纳米TiO2试样的SEM照片

Fig.2 SEM images of nano-TiO2 samples prepared by different reagent ratios

图3 不同粒径纳米TiO2分散液36 h后的沉降情况及吸光度曲线

Fig.3 Sedimentation status and absorbance curves of nano-TiO2 suspension with different particle sizes after 36 h

图4 不同pH值纳米TiO2分散液36 h后的沉降情况及吸光度曲线

Fig.4 Sedimentation status and absorbance curves of nano-TiO2 suspension with different pH values after 36 h

图5 纳米TiO2分散液Zeta电位随pH值的变化曲线

Fig.5 Variation curve of Zeta potential of nano-TiO2 suspension with pH value

图6 不同分散剂纳米TiO2分散液的沉降情况及吸光度曲线

Fig.6 Sedimentation status and absorbance curves of nano-TiO2 suspension with different dispersants

图7 不同条件下纳米TiO2光催化降解罗丹明B的降解率曲线和降解速率曲线

Fig.7 Degradation efficiency curves and degradation rate curves for Rhodamine B photocatalytic degradation by nano-TiO2 under different conditions

图8 最优条件下纳米TiO2光催化降解罗丹明B的降解率曲线、降解速率曲线及罗丹明B溶液的颜色变化照片（T4， pH=2， SHMP）

Fig.8 Degradation efficiency curve， degradation rate curve， and color-change photograph for Rhodamine B photocatalytic degradation by nano-TiO2 under optimal condition （T4， pH=2， SHMP）

表2 罗丹明B溶液降解动力学方程

Table 2 Degradation kinetics equation of Rhodamine B solution

Condition	Degradation kinetics equation	k/min^-1	R²
T4	ln（C₀/C_t ）=0.024 0t+0.051 0	0.024 0	0.991 9
T2	ln（C₀/C_t ）=0.014 9t-0.052 2	0.014 9	0.991 7
T1	ln（C₀/C_t ）=0.013 0t-0.048 9	0.013 0	0.987 3
pH=2	ln（C₀/C_t ）=0.047 9t+0.355 7	0.047 9	0.912 9
pH=3	ln（C₀/C_t ）=0.029 0t+0.065 4	0.029 0	0.980 6
pH=9	ln（C₀/C_t ）=0.006 6t+0.027 5	0.006 6	0.989 0
pH=10	ln（C₀/C_t ）=0.007 2t+0.019 5	0.007 2	0.993 4
PEG400	ln（C₀/C_t ）=0.025 2t+0.131 3	0.025 2	0.965 2
SHMP	ln（C₀/C_t ）=0.036 3t+0.224 3	0.036 3	0.937 6
SDBS	ln（C₀/C_t ）=0.030 6t+0.226 3	0.030 6	0.953 3
T4， pH=2， SHMP	ln（C₀/C_t ）=0.056 0t+0.448 1	0.056 0	0.893 0

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纳米TiO₂在水中分散稳定性的影响因素及光催化性能研究

Influencing Factors of Dispersion Stability and Photocatalytic Performance of Nano-TiO₂ in Water

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