pept化酸对TiO₂相组成与光催化效率的影响：硫酸、硝酸、乙酸对比研究

摘要

采用低温 pept化路线，以异丙醇钛为前驱体，分别用硫酸、硝酸、乙酸作为 pept化剂合成TiO₂纳米颗粒。通过XRD、TEM、BET、拉曼、UV-vis、FTIR、XPS综合表征发现：乙酸促进纯锐钛矿形成，硝酸诱导3:1锐钛矿-金红石混合相，硫酸产生95:5锐钛矿-金红石比例。结晶紫、亚甲蓝、对硝基苯酚光催化降解测试显示，硝酸 pept化样品降解率最高，超越商业P25高达20%，归因于增强的电子-空分离、更大孔径（≈15 nm）和更高光电流密度（0.545 mA cm⁻²）。研究凸显酸类型在定制TiO₂纳米结构用于高级环境修复中的关键作用。

研究背景

二氧化钛（TiO₂）因化学稳定性、低成本、合适带结构仍是光催化基准半导体。锐钛矿、金红石、板钛矿三种多形体中，锐钛矿通常被认为对有机污染物降解最活泼。相组成、晶粒尺寸、孔隙率强烈影响光催化性能，但 pept化酸化学对这些参数的影响尚未充分探索。先前研究表明强酸可在水热或溶胶-凝胶处理中抑制或促进锐钛矿向金红石转变。本文系统研究硫酸、硝酸、乙酸如何影响TiO₂相演变及后续光催化活性。

材料与方法

pept化程序

Ti(OR)₄（异丙氧基钛）陈化（15天，25°C，50%相对湿度）形成非晶凝胶。干胶分散于1 N pept化酸（100 mL），40°C超声10 min。所得胶体离心、洗涤，500°C煅烧3 h。样品标记为TiO₂-ace（乙酸）、TiO₂-nit（硝酸）、TiO₂-sul（硫酸）。

表征

采用XRD（Cu Kα）、TEM、BET（N₂物理吸附）、拉曼、UV-vis漫反射、FTIR、XPS确定相组成、颗粒尺寸、比表面积、光学带隙、表面化学。相分数用Spurr-Myers方程计算，晶粒尺寸用Scherrer公式计算。

光催化测试

100 mg催化剂悬浮于100 mL 10 ppm染料溶液（结晶紫CV、亚甲蓝MB、对硝基苯酚p-NP）。吸附平衡45 min后，13 W m⁻²紫外光（8×F20灯）照射。UV-vis光谱监测降解，去除率计算为ξ = (1 – C/C₀) × 100%。简单洗涤干燥后评估五个循环复用性。

结果与讨论

相分析

TiO₂-ace呈100%锐钛矿（颗粒尺寸≈48 nm）。TiO₂-sul含95%锐钛矿（≈23 nm）伴微量金红石（≈5%）。TiO₂-nit显示67%金红石/33%锐钛矿混合相（金红石≈50 nm，锐钛矿≈41 nm）。强酸（HNO₃、H₂SO₄）促进金红石形成，弱乙酸保留锐钛矿。

形貌与比表面积

TEM显示：TiO₂-sul形成致密7 nm团聚体；TiO₂-nit呈10-20 nm球形颗粒加大片层；TiO₂-ace为15-20 nm球体。BET测得比表面积：ace 115 m²/g，sul 98 m²/g，nit 82 m²/g。硝酸 pept化虽比表面积略低，但产生更大孔径（~15 nm），促进反应物扩散。

光学性质

UV-vis吸收边从372 nm（sul）红移至383 nm（ace）和402 nm（nit）。带隙分别为3.12 eV（sul）、2.99 eV（ace）、2.97 eV（nit）。nit带隙降低与其较高金红石含量相关。

光催化性能

120 min内，TiO₂-nit对CV和MB达99%降解，对p-NP达95%，超越商业P25（p-NP约85%）。TiO₂-ace和TiO₂-sul对p-NP仅达70-80%。TiO₂-nit优异活性归因于高效异相间电荷转移（金红石导带→锐钛矿导带，锐钛矿价带→金红石价带）及高光电流密度（0.545 mA cm⁻²）。复用实验显示三循环后活性>90%，五循环降至75%，因轻微催化剂损失。

结论

pept化酸化学决定性控制TiO₂相组成、形貌和光催化行为。硝酸 pept化产生混合锐钛矿-金红石纳米结构，具有最优电子-空分离，在所研究酸中展现最佳染料降解性能。这些结果为定制TiO₂纳米催化剂用于环境应用提供了直接、可扩展路线。