Структура и свойства волокнистого оксида титана, полученного биотемплатным методом

Волокнистые системы из диоксида титана (ТЮ2) находят все более широкое применение в процессах фотокатализа и сорбции благодаря высокой химической инертности, отсутствию токсичности и малой стоимости. Одним из эффективных методов получения дискретных волокон с развитой системой пор и высокой удельной площадью поверхности является «биокопирование» различных природных волокнистых материалов, в частности, целлюлозы. Биотемплантный способ формирования керамических волокон предполагает насыщение капиллярно-пористой структуры целлюлозы раствором или золем прекурсора и дальнейшее ее удаление путем термической обработки. После выгорания органического компонента остаются волокна из тугоплавких оксидов, повторяющие структуру пор и капилляров исходного волокна, вследствие чего характеризуются высокими значениями удельной поверхности.

Биотемплатный метод синтеза волокон тугоплавких оксидов металлов состоит из следующих стадий: пропитка биоматрицы раствором прекурсора, ее сушка и прокаливание с целью удаления органического материала и формирования керамических изделий. Каждая из стадий может быть интенсифицирована с помощью различных физических воздействий.

Целью настоящей работы являлось исследование синтеза волокнистого ТЮ2 при пропитке листовой целлюлозы растворами гидроксокомплексов титана при иммерсионном смачивании или обработке ультразвуком. Процесс получения и структуру ТЮ2 исследовали методами РФА, ТГ/ДСК анализа, СЭМ, сорбции/десорбции N2. Фотокаталитическую активность ТЮ2изучали с помощью разложения красителя Родамина Б под действием УФ-излучения. Установлено, что пропитка целлюлозного листа при наложении резонансных волновых воздействий обеспечивает более высокую степень заполнения капиллярно-порового объема волокнистой матрицы и сокращение времени процесса в сравнении с традиционным иммерсионным смачиванием.

Образцы волокнистого ТЮ2 обладают морфологией, повторяющей таковую целлюлозного темплата. Фазовый состав и текстурные характеристики ТЮ2 определяются, главным образом, температурой прокаливания, пропитанного биотемплата: в диапазоне 400 - 450°С наблюдается образование фазы анатаз, который преобразуется в рутил в диапазоне 600 - 890°С. Использование ультразвука при пропитке биотемплата не находит отражение в фазовом составе формируемых керамических волокон. По данным низкотемпературной адсорбции-десорбции азота, полученные волокна обладают высокой удельной площадью поверхности и характеризуются изотермами характерными для мезопористых твёрдых тел с клиновидными порами. Полученные в работе волокнистые материалы ТЮ2 обладают высокой фотока- талитической активностью, обеспечивающей быструю деколоризацию водного раствора красителя Родамина Б. Было выявлено, что самой высокой сорбционной способностью и фотока- талитической активностью характеризуется образец керамических волокон, полученных при температуре прокаливания 600°С.

Авторы благодарят РФФИ за финансовую поддержку исследований (грант № 16-03-01016-a). Исследование проведено с использованием ресурсов Центра коллективного пользования научным оборудованием ФГБОУ ВО «ИГХТУ»

Михайлова А. Е.