二氧化钛/半导体金属氧化物复合纳米纤维材料的制备及光催化性质研究

摘要

目前，能源危机和环境污染日益严重，环保和节能已成为世界性的两大生存主题。自从发现n型半导体TiO2作为电极发生光电化学反应分解水以来，TiO2成为半导体光电化学领域的研究热点。然而TiO2光催化剂在实际应用中存在着只能利用紫外光、量子效率低、纳米粉体难以分离回收等难题。针对这些难题，本论文对TiO2纳米材料的制备及改性做了探讨性研究，旨在提高TiO2光催化剂的光生载流子分离效率及拓展光谱响应范围至可见光区。采用溶胶-凝胶过程、静电纺丝技术、水热合成相结合的方法，分别制备了单相TiO2纳米粒子、二氧化钛/半导体金属氧化物复合纳米纤维光催化材料，并对光催化活性进行了探讨研究，获得了具有一定价值与原创性的研究成果。具体研究内容如下:
　　1.以TiCl4和C4H9OH为原料，利用溶剂热法成功制备了单相TiO2纳米材料。对C4H9OH调控粒子形貌和晶相机理进行探讨。分析认为，TiCl4与C4H9OH的摩尔比是影响TiO2晶相和形貌的关键因素。在TiCl4与C4H9OH大摩尔比时易形成锐钛矿相TiO2纳米粒子，而小摩尔比时得到的是金红石相TiO2纳米棒。以有机染料RB为模拟污染物研究了不同晶相TiO2纳米材料在紫外光照射下的光催化活性。结果表明:所制备的TiO2纳米材料比表面积大，晶粒尺寸小和结晶度良好，具有比商用P25更好的紫外光催化活性。
　　2.以静电纺丝技术制备的纯TiO2纳米纤维为基质，利用水热合成的方法对其纤维表面进行修饰，制备了具有异质结构的TiO2/CeO2复合纳米纤维。通过对样品的结构分析初步探讨了异质结的形成机理，并以罗丹明B(RB)的脱色降解为模型反应，考察了样品的光催化性能。结果表明:CeO2纳米粒子均匀地分布在TiO2纳米纤维上，通过选用六亚甲基四胺、尿素、氨水等不同的碱源，可有效调控CeO2纳米粒子的形貌、结构和分布情况。与纯TiO2相比，复合样品有效地实现了TiO2光生电子和空穴的分离，增强了体系的量子效率，表现出良好的光催化活性。
　　3.以TiO2纳米纤维为模板和反应物，用水热法原位合成了具有异质结构的TiO2/SrTiO3复合纳米纤维。通过对样品的结构分析探讨了TiO2/SrTiO3异质结的原位生长机制和光催化活性提高机理。以RB为模拟有机污染物进行光催化降解实验。结果表明:SrTiO3纳米立方体均匀地生长TiO2纳米纤维上，制得了SrTiO3与TiO2相复合的光催化材料，与TiO2纳米纤维相比光催化活性明显提高。
　　4.通过静电纺丝技术与水热法相结合制备了具有异质结构的TiO2/Bi4Ti3O12复合纳米纤维。研究表明:Bi4Ti3O12以纳米片状形貌均匀地生长在TiO2纳米纤维上，纳米片的起始厚度约为20nm，并随着反应物浓度的增加而变大和增厚。这种片状形貌有效地增加了样品的比表面积，同时由于复合使禁带宽度窄化，引起催化剂吸收带边的红移，使样品在可见光区的吸光强度有所提高。以有机染料罗丹明B为模拟污染物、考察其在在可见光下的光催化性能，发现TiO2/Bi4Ti3O12表现出良好的可见光催化活性，且易于分离、回收和再利用，循环使用5次，RB的脱色率仍保持在97％以上。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1.1 纳米TiO2光催化研究进展

1.1.1 纳米TiO2的晶体结构

1.1.2 纳米TiO2的能带结构

1.1.3 纳米TiO2光催化机理

1.1.4 纳米TiO2光催化剂的制备方法

1.1.5 纳米TiO2光催化存在的问题

1.1.6 纳米TiO2的光催化改性

1.2 纳米纤维和静电纺丝技术

1.2.1 纳米纤维和静电纺丝技术简介

1.2.2 电纺纤维的应用

1.3 水热法及其应用

1.3.1 水热法的特点

1.3.2 水热反应的基本原理

1.3.3 影响水热反应的因素

1.3.4 水热法的应用

1.4 论文选题和主要内容

参考文献

第二章 非水相一步合成TiO2纳米晶及其光催化性能

2.1 引言

2.2 TiO2纳米粒子的制备

2.2.1 药品和试剂

2.2.2 非水相一步合成TiO2纳米晶

2.2.3 样品表征

2.3 TiO2纳米粒子的形貌和结构表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)分析

2.3.2 透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析

2.3.3 比表面积(BET)

2.3.4 TiO2纳米粒子的形成机制探讨

2.3.5 TiO2纳米粒子的光催化性能

参考文献

第三章 TiO2/CeO2复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

3.1 引言

3.2 TiO2/CeO2纳米纤维的制备

3.2.1 药品和试剂

3.2.2 样品的制备

3.2.3 样品的表征

3.2.4 光催化实验

3.3 TiO2/CeO2纳米纤维的形貌和结构分析

3.3.1 扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析

3.3.2 X射线衍射(XRD)分析

3.3.3 拉曼光谱(Raman)分析

3.3.4 TiO2/CeO2形貌的可控合成

3.3.5 TiO2/CeO2异质结形成机理探讨

3.3.6 表面活性剂在TiO2/CeO2异质结形成中的作用

3.3.7 TiO2/CeO2光催化性能分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 TiO2/SrTiO3复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

4.1 引言

4.2 TiO2/SrTiO3复合纳米纤维的制备

4.2.1 药品和试剂

4.2.2 样品的制备

4.2.3 样品的表征

4.3 TiO2/SrTiO3复合纳米纤维的形貌和结构表征

4.3.1 X射线衍射(XRD)分析

4.3.2 扫描电镜(SEM)分析

4.3.3 透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析

4.3.4 能量色散光谱(EDS)分析

4.3.5 X射线能谱(XPS)分析

4.3.6 TiO2/SrTiO3形貌的可控合成

4.3.7 TiO2/SrTiO3异质结形成机理探讨

4.3.8 TiO2/SrTiO3的光催化性能及反应机理

4.4 本章小结

参考文献

第五章 TiO2/Bi4Ti3O12复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

5.1 引言

5.2 TiO2/Bi4Ti3O12复合纳米纤维的制备

5.2.1 药品和试剂

5.2.2 样品的制备

5.2.3 样品的表征仪器

5.3 TiO2/Bi4Ti3O12的形貌和结构表征

5.3.1 X射线衍射(XRD)分析

5.3.2 扫描电镜(SEM)分析

5.3.3 透射电镜(TEM)分析

5.3.4 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)分析

5.3.5 TiO2/Bi4Ti3O12光催化性能及反应机理

5.3.6 TiO2/Bi4Ti3O12的可循环再利用

5.4 其它金属钛酸盐的合成

5.5 本章小结

参考文献

结论

致谢

在学期间公开发表论文情况