基于田口法优化沉淀法合成TiO2纳米颗粒及其光催化性能研究

本文推荐一篇采用田口法（Taguchi Method）优化沉淀法合成二氧化钛（TiO2）纳米颗粒的研究。该研究通过系统调控合成参数（如溶剂类型、回流时间等），显著提升了TiO2的光催化性能，对有机污染物（如苯胺）降解效率高达98.8%，为环境修复材料的设计提供了高效统计优化策略。

　　

1. 引言

异相光催化技术近二十年来在去除水和空气中的无机及有机污染物方面展现出巨大潜力。在多种半导体氧化物（如ZnO、WO₃、Fe₂O₃等）中，二氧化钛（TiO₂）因其储量丰富、成本低廉、无毒性和高化学稳定性成为光催化研究的核心材料。TiO₂在自然界中存在三种晶相：锐钛矿（anatase）、金红石（rutile）和板钛矿（brookite），其中锐钛矿相因其优异的氧光还原能力而被认为是最具光催化活性的相态，常用于环境修复。

TiO₂的结构与形貌特征高度依赖于实验条件与合成路线。常见的合成方法包括化学气相沉积（CVD）、溶剂热法、溶胶-凝胶法和超声化学法等。为了优化合成参数，本研究采用田口统计方法（Taguchi Method），通过正交阵列设计减少实验次数，识别影响光催化性能的关键因素。

2. 实验方法

2.1. 田口实验设计

研究选取了六个影响TiO₂光催化性能的可控因素：钛前驱体类型、醇/醋酸比例、钛前驱体摩尔浓度、合成温度、醇类型和回流时间。每个因素设置不同水平（如醇/醋酸比例设为50:40 mL、58:33 mL和63:28 mL），使用L₁₈正交阵列安排实验。

纳米颗粒通过化学沉淀法合成：将钛醇盐前驱体与含醋酸的醇溶液混合，缓慢加入盐酸（HCl）引发沉淀，反应体系在油浴中磁力搅拌并回流。沉淀物经离心、干燥（100°C/2 h）和煅烧（600°C/6 h）后压制成 pellets 用于光催化测试。

2.2. 表征手段

采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察形貌与粒径，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）测定能带隙。

2.3. 光催化性能测试

以苯胺水溶液（2.5×10⁵ mol/L）为降解目标，将TiO₂ pellets 置于石英池中，先暗吸附30分钟，再经15 W紫外灯照射3小时。通过UV-Vis光谱监测苯胺降解率，评估光催化活性。

3. 结果与讨论

3.1. 结构与形貌结果

XRD结果显示，大部分样品为锐钛矿相（JCPDS 00-021-1272），仅样品E10和E13含有少量金红石相（JCPDS 00-021-1276）。通过Spurr模型计算，样品13和10的锐钛矿重量百分比分别为74%和70%。Scherrer方程估算平均晶粒尺寸为14-24 nm。

SEM图像显示样品呈球形和卵形纳米颗粒团聚体，粒径范围35-77 nm（Image J软件统计）。表面形貌因合成条件而异：部分样品（如2和12）颗粒排列规整，而其他（如11和16）表面更无序且多孔。

方差分析（ANOVA）表明，回流时间和溶剂类型是影响粒径的最主要因素，贡献率分别为37.5%和21.11%，而钛前驱体和醇/醋酸比例影响较小。

3.2. 光催化性能

所有样品在紫外光下对苯胺的降解效率介于82%-95.5%之间。暗吸附和单独紫外光照分别贡献约18%和15%的降解率，表明光催化是主导机制。

3.3. 田口法分析

以光催化降解率为响应值，采用“越大越好”信噪比（S/N）公式优化。结果表明，回流时间（水平3）、溶剂（水平2）和钛前驱体浓度（水平2）是提升光催化性能的关键因素。回流时间的贡献率最高（30.52%），其次为溶剂（30.4156%）和合成温度（19.1447%）。

3.4. 确认实验与最优样品表征

基于田口法预测的最优条件（钛丁酯为前驱体、醇/醋酸比例9:4、钛浓度1.4 M、温度85°C、2-丙醇为溶剂、回流12小时）进行验证实验，苯胺降解率达98.8%，与预测值（99.999%）高度吻合。

SEM和TEM显示最优样品为多孔团聚体，平均粒径40 nm（TEM统计为34 nm），与光催化性能提升一致。

3.5. 紫外-可见光谱分析

漫反射光谱结合Kubelka-Munk函数计算显示，所有样品能带隙均为3.35 eV，且无显著差异，表明光催化性能差异主要源于形貌与表面积而非光学特性。

4. 结论

本研究成功通过田口法优化了沉淀法合成TiO₂纳米颗粒的工艺，确认回流时间和溶剂类型是影响光催化性能的核心因素。最优样品在苯胺降解中表现出98.8%的高效率，且具有多孔表面和40 nm的粒径特征。该工作为高效光催化材料的设计提供了可靠的统计优化方法，未来将进一步研究 pellets 的机械强度、比表面积（BET）及与商用Degussa P25的性能对比。

利益冲突与资助

作者声明无利益冲突。研究由墨西哥科学、人文、技术与创新秘书处（SECIHTI）通过奖学金（CVU 420294和420650）资助。