《化工進展》2018年第1期研究開發——色氨酸輔助合成光催化活性增強的球形納米TiO2

最新 02-13

色氨酸輔助合成光催化活性增強的球形納米TiO2

李彬1,3，陳星煒1，張天永1,2，姜爽1,3，

張光輝1，吳武斌1

（1天津大學化工學院，天津市應用催化科學與工程重點實驗室，天津 300354；2天津化學化工協同創新中心，天津 300354；3天津市功能精細化學品技術工程中心，天津 300354）

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0725

文章來源：《化工進展》2018年第37卷

第1期：175-181

摘要

以L-色氨酸（L-Trp）為生物模板，採用簡單水解及煅燒後製備了球形結構TiO2納米光催化劑。通過X射線衍射、掃描電子顯微鏡、紅外光譜、紫外-可見漫反射光譜、光致發光光譜和N2吸附-解吸等方法對製得的TiO2納米材料進行表徵。在催化劑合成過程中，L-Trp作為生物模板發揮至關重要的作用，能夠指導球形結構納米TiO2的形成。考察了不同煅燒溫度下製備的TiO2樣品光催化活性，結果表明550℃時製備的TiO2樣品具有優異的光催化活性，紫外光照射30min對甲基橙溶液的降解率達到95%左右，主要是由於較大比表面積和球形結構的協同效應。光催化劑穩定性實驗表明，所製備的TiO2納米材料可作為一種實用有效的光催化劑用於紫外光照射下降解有機染料。同時，對L-Trp輔助下球形結構TiO2納米顆粒的可能生長機理進行討論。

TiO2因為低價無毒、環境友好性、化學穩定性以及優異的催化活性等特點，被認為是最有前途的半導體光催化劑之一。然而，在實際應用中，由於光生電子-空穴對複合概率大以及TiO2納米顆粒容易團聚導致光能利用率較低，嚴重限制了其光催化效率。

已經報道了諸多製備TiO2納米材料的方法，如溶劑熱法、溶膠-凝膠法、水熱合成法、靜電紡絲法和有機或無機模板法等。CHATURVEDI等以十二烷基磺酸鈉為表面活性劑，採用納秒脈衝激光燒蝕製備出球形TiO2顆粒。鄭海明等以辛烷基苯酚聚氧乙烯醚為表面活性劑，採用反相微乳液水熱法合成了TiO2微球。然而，這些方法通常需要昂貴的設備、苛刻的製備條件、有毒有害的原料等不利因素，極大地限制了TiO2商業化生產，也不符合可持續綠色化學的理念。因此，開發一種簡便節能、綠色經濟的TiO2納米材料的合成方法成為主要的研究方向。近幾年不斷發展的仿生合成技術為製備半導體納米材料提供了新方法。如何利用生物分子的特殊結構和強大的組裝功能製備所需形狀的功能材料，在生物學、化學和材料科學等領域具有重要意義，但這種方法仍處於起步階段。

氨基酸作為生物小分子，具有優良的生物相容性和豐富的官能團。它可以通過特異性吸附及與金屬離子的配位作用和靜電作用來改善無機晶體的生長和誘導，形成更精緻的形貌和結構，可用於無機材料的仿生合成。近期已報道過在氨基酸的幫助下成功合成了一些特殊結構納米材料，如寶塔狀PbS、空心CuO微球、WO3納米線和雙稜鏡結構ZnO。也有報道用生物大分子物質如蛋白質、多肽、核酸等製備金屬化合物材料。然而，關於以簡單的生物小分子L-色氨酸（L-Trp）為模板製備TiO2光催化劑及其形成機理的研究還沒有報道。

本實驗利用仿生合成方法，以L-Trp為生物模板，採用簡便節能的水解法，有效地製備了球形結構TiO2納米光催化劑，揭示了氨基酸與TiO2納米材料形貌之間的關係。在靜電作用、氫鍵作用和配位作用的協同效應下，Ti(OH)4前體以L-Trp為生物模板組裝成規則球形結構，經煅燒後得到球形TiO2納米顆粒。另外，在紫外光照射下，通過降解甲基橙（MO）對所製備的TiO2納米材料光催化性能進行考察。同時對球形TiO2納米顆粒的可能生長機理進行分析討論。

實驗材料與方法

1.1 實驗試劑

1.2 球形納米TiO2的合成

1.3 表徵

1.4 光催化性能測試

實驗結果與討論

2.1 結構與形貌表徵