微-納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石墨烯基復合材料的制備和性能研究.pdf

1、金屬氧化物微/納米結(jié)構(gòu)材料，因其新穎的形貌和獨特的物理化學性質(zhì)，在近年來受到研究者的廣泛關(guān)注。作為一類重要的寬帶隙半導體金屬氧化物，不同形貌和晶相結(jié)構(gòu)的TiO2一直是人們的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2的形貌、暴露晶面和顆粒尺寸對其光催化性能、紫外屏蔽性能和電化學性能有著顯著影響。本論文圍繞微/納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石墨烯基復合材料的可控制備和其形貌、晶相組成、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，開展了系統(tǒng)的研究工作，在獲得高性能微/納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石

2、墨烯基復合材料的方面取得了創(chuàng)新性研究成果，其主要研究內(nèi)容如下：
　　1.我們通過一步水熱法在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的輔助下通過調(diào)整水熱反應(yīng)時間制備得到具有不同直徑的由一維納米棒構(gòu)成的三維微納米結(jié)構(gòu)花狀金紅石相TiO2微球，并研究了PVP水溶液的濃度和水熱反應(yīng)時間對最終產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)PVP溶液的濃度是保證合成形貌規(guī)整單分散花狀TiO2微球的關(guān)鍵，而在最佳的PVP濃度下通過調(diào)整水熱反應(yīng)時間可制備得到具有不同直徑的花狀T

3、iO2微球。合成的所有的這些具有不同直徑的花狀TiO2微球均顯示出了高于市售P25和銳鈦礦TiO2的紫外線屏蔽能力，并且這些三維TiO2微球的紫外線屏蔽性能隨著其單個微球直徑及表面納米棒的相對堆積密度的增加而呈現(xiàn)出規(guī)律性增加的趨勢。性能最優(yōu)的樣品(S-24h-C)不僅在能阻擋整個紫外光區(qū)域紫外線的同時在可見光區(qū)域也有好的透光率，而且顯示出了較低的光催化活性，是一種較有應(yīng)用前景的紫外屏蔽材料。
　　2.以異丙醇鈦(TTIP)和氧化石

4、墨(GO)為前驅(qū)體通過PVP輔助一步水熱法合成了三維花狀金紅石相TiO2微球修飾的石墨烯復合材料(FT/GN)，其中GO的還原和花狀微/納米結(jié)構(gòu)TiO2微球的形成同步進行。此外我們還研究了PVP和反應(yīng)溫度對該復合材料形貌的影響，初步推測了該復合材料的形成機理。復合材料的吸附性能和光催化性能是通過在紫外光照射下去除溶液中羅丹明B(RhB)的實驗來評估。發(fā)現(xiàn)與純的花狀TiO2相比，該FT/GN復合材料顯示出了對RhB高的吸附性能和紫外線光照

5、下高的光催化活性。當GO添加量為8％時，F(xiàn)T/GN復合材料的光催化性能最優(yōu)，在紫外光照50 min時，對RhB的去除率為96.9%。重復使用4次后，去除率仍可達90.2%，有望在環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并為設(shè)計形貌可控、結(jié)構(gòu)復雜的其他微/納米材料/石墨烯復合材料的制備提供了一條簡單而有效的途徑。
　　3.本章沿用上一章中所提到的PVP輔助一步水熱法在控制鹽酸溶液濃度的情況下制備了石墨烯與微/納米結(jié)構(gòu)的混合晶相TiO2復合光催化劑(

6、TiO2/GN)。研究發(fā)現(xiàn)，鹽酸溶液濃度對最終得到的復合材料的形貌結(jié)構(gòu)和TiO2的晶相影響很大，當鹽酸溶液濃度為3 mol/L時，得到的復合材料為高質(zhì)量的石墨烯和具有混合晶相微/納米結(jié)構(gòu)TiO2的組裝體。我們通過一些表征手段如XRD、SEM和TEM等證明了由直徑約為2-5 nm的納米顆粒組裝而成的TiO2微球均勻的分布在超薄的石墨烯層間，其中TiO2為金紅石和銳鈦礦的混合晶相。隨后以RhB溶液為目標污染物對得到的不同GO添加量的TiO2