碳纳米纤维负载钐掺杂TiO纳米颗粒的制备及光催化性能研究

摘要

工业发展给环境带来了对水的污染，我国现行的污水处理方法虽然工艺成熟，但对于水体中存在的低浓度、生物难降解的某些有机污染物是无法去除的。在众多的光催化剂中，二氧化钛（TiO2）以其价廉、无毒、稳定性好、催化效率高、能够再生循环利用等优点，成为目前研究的热点。然而仍然有两个因素限制了TiO2的工业应用：一是纯的TiO2光催化效率比较低；二是TiO2纳米颗粒催化剂易团聚，难以回收利用。为了解决上述的问题，掺杂和负载化是两个很好的方法和途径。 本文用静电纺丝和溶胶-凝胶法相结合的方法，把含有钐离子和TiO2前驱体的PAN溶液，通过静电纺丝法制得钐掺杂的TiO2前驱体/PAN纤维，经过预氧化、浸渍水解和焙烧处理后，制得了钐掺杂的TiO2纳米颗粒负载于碳纳米纤维表面的杂化光催化材料（Sm-TiO2/CNFs）。为了研究Sm掺杂浓度、烧结温度以和纤维负载化对催化材料的表面形态、晶体结构的影响，我们分别做了SEM、TEM、EDX、XRD和XPS等测试表征，结果表明经过预氧化、水解和600℃、700℃和800℃碳化处理得到了不同的Sm-TiO2/CINFs，纤维表面负载的TiO2颗粒尺寸随着温度的升高而增大；同时晶体的类型也逐渐由锐钛矿向金红石相转变，600℃的样品中TiO2只有锐钛矿单一的晶相。在所有的样品中，钛元素都是以+4的形式存在于TiO2，均匀分散在碳纳米纤维的表面。为了研究Sm-TiO2/CNFs的光催化性能，我们表征了样品在紫外光下对甲基橙溶液的光催化降解效率。与TiO2粉末相比，TiO2/CNFs的光催化活性要好一些，因为CNFs的较强吸附能力，纤维负载使TiO2/CNFS获得了吸附-催化的协同效应。相对于TiO2/CNFs，Sm-TiO2/CNFs的光催化活性有了明显的提高，这是因为Sm对TiO2的掺杂作用，且随着Sm掺杂量的增多，Sm-TiO2/CNFs的光催化活性先提高后降低，存在着一个最佳掺杂浓度1．5％。钐掺杂的主要作用是抑制电子．空穴对的复合，从而提高光催化性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2二氧化钛光催化剂的催化机理

1.3二氧化钛光催化剂的改性研究

1.3.1二氧化钛光催化剂的掺杂改性原理

1.3.2二氧化钛光催化剂的掺杂剂种类

1.3.3稀土掺杂TiO2的机理研究

1.4纳米二氧化钛光催化剂的制备方法

1.4.1气相法

1.4.2液相法

1.4.3固相法

1.5二氧化钛光催化剂的应用领域

1.5.1抗菌材料

1.5.2水处理

1.5.3空气净化

1.5.4新型太阳能电池

1.5.5自清洁功能

1.6二氧化钛光催化剂的负载研究

1.6.1二氧化钛光催化剂的负载载体概述

1.6.2二氧化钛光催化剂的负载材料种类

1.6.3影响负载TiO2光催化剂催化活性的因素

1.7 静电纺丝制备纳米纤维研究

1.7.1静电纺丝的研究历史及现状、前景

1.7.2静电纺丝的装置及原理

1.7.3静电纺丝制备纳米纤维的工艺影响因素

1.7.4静电纺丝纳米纤维的应用领域

1.8结束语

1.9本课题的研究意义、内容

第二章 实验部分

2.1主要原料

2.2实验仪器

2.3实验方法

2.3.1静电纺丝制备二氧化钛前驱体／PAN纳米纤维

2.3.2杂化纤维的预氧化-稳定化

2.3.3二氧化钛前驱体的水解

2.3.4掺杂二氧化钛／碳纤维的制备-碳化

2.3.5 CNFs及TiO2粉体的制备

2.4测试表征

2.4.1纳米纤维的形貌结构表征

2.4.2纳米纤维的晶相结构表征

2.4.3纳米纤维的化学组成分析

2.4.4纳米纤维的催化性能测试

第三章结果与讨论

3.1纳米纤维的表面形貌分析

3.1.1电纺原丝的表面形貌

3.1.2预氧化纤维的表面形貌

3.1.3 Sm-TiO2／CNFs的表面形貌

3.1.4纤维的内部结构

3.1.5元素的定性及半定量分析

3.2 TiO2晶型分析

3.2.1温度对TiO2晶型的影响

3.2.2钐掺杂含量对TiO2晶型的影响

3.3元素化学态分析

3.3.1 XPS整体峰分析

3.3.2 Ti2p的XPS分析

3.3.3 O1s的XPS分析

3.3.4 Sm3d5的XPS分析

3.4催化材料的光催化性能分析

3.4.1负载及掺杂对光催化性能的影响

3.4.2不同钐掺杂浓度对Sm-TiO2／CNFs光催化性能的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

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