二氧化鈦基納米結(jié)構(gòu)的制備、微結(jié)構(gòu)調(diào)控及光催化性能增強(qiáng)研究.pdf

1、21世紀(jì)，環(huán)境和能源問題是人類面臨的最大挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體光催化技術(shù)，為人類提供了一種有效治理環(huán)境污染和高效利用太能能的途徑。自1972年日本科學(xué)家Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2作為單晶電極，在光照條件下，能將H2O分解成H2和O2開始，以TiO2為代表的一系列半導(dǎo)體金屬氧化物受到廣泛的關(guān)注，TiO2不僅具有抗腐蝕能力強(qiáng)、高效、無毒、價(jià)格低廉、光化學(xué)性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且具有對(duì)環(huán)境友好、生物功能，如今被廣泛應(yīng)用的光催化劑之一。然

2、而，TiO2光催化材料在實(shí)際應(yīng)用中存在下列問題:量子效率低;光響應(yīng)范圍較窄，只能吸收太陽光中的紫外光;難以回收利用等，阻礙了其商業(yè)化的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。本論文圍繞二氧化鈦基光催化材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，系統(tǒng)深入的開展了研究工作，在高活性二氧化鈦的微結(jié)構(gòu)調(diào)控、非金屬摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、光催化性能增強(qiáng)等方面的研究中取得一些研究成果，其主要內(nèi)容可以概括為以下四個(gè)方面:
　　(1)采用兩步水熱法制備了一種新奇的Ag@分層TiO2核-殼納

3、米結(jié)構(gòu)二氧化鈦，Ag核直徑在200nm左右，尺寸不是很均勻，納米片組合的層狀結(jié)構(gòu)作為殼緊緊地包裹Ag納米球，這種特殊結(jié)構(gòu)保護(hù)了Ag納米球不被腐蝕和溶解，且增大了Ag和TiO2的接觸面積;金屬Ag作為光生電子的暫時(shí)聚集地，具有及時(shí)轉(zhuǎn)移電子的功能，能高效的分離光生電子-空穴對(duì)，減緩其復(fù)合，提高載流子利用率并提高Ag@h-TiO2復(fù)合光催化劑催化性能;TiO2分層狀的結(jié)構(gòu)，比表面積較大，能吸附較多的染料，且能夠增強(qiáng)光散射提高光的吸收兒率，從而

4、增強(qiáng)催化劑的光催化性能;在模擬太陽光作用下通過8個(gè)循環(huán)測(cè)試了降解甲基橙和亞甲基藍(lán)，結(jié)果表明其具有較好的光催化降解性能。
　　(2)采用一步溶劑熱法合成氟硼共摻雜TiO2納米顆粒，以氟硼酸為氟、硼源，三氯化鈦為鈦源，通過調(diào)節(jié)兩者的比例、反應(yīng)的溫度和時(shí)間等影響因素，成功制備了含有氧空位且暴露(001)品面的TiO2納米顆粒;當(dāng)HBF4與TiCl3體積比為0.5∶1時(shí)，反應(yīng)溫度和時(shí)間分別為200℃和12h時(shí)，制備樣品的形貌為納米片狀且直

5、徑并不均勻，厚度較為均一，大約70nm，所暴露的(001)品面也不是非常平滑完整的，而是存在很多凹陷和孔涮結(jié)構(gòu);相比純的TiO2，由于氟與硼的協(xié)同作用提高了TiO2的可見光光催化活性，制備的光催化劑在紫外-可見光譜范圍內(nèi)對(duì)光催化降解甲基橙表現(xiàn)出較好的光催化活性。
　　(3)我們以四氯化鈦和尿素為反應(yīng)物、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為模板，通過一步溶劑熱法合成金紅石相/銳鈦礦相TiO2異質(zhì)結(jié)納米花;采用XRD，SEM，TEM和

6、BET等表征手段對(duì)制備的金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)納米花進(jìn)行了測(cè)試;制備的TiO2異質(zhì)結(jié)納米花以金紅石相TiO2為骨架，銳鈦礦相TiO2納米晶作為催化劑負(fù)載在其表面上，由于金紅石相TiO2的能帶與銳鈦礦相TiO2之間存在差異，而且其骨架能夠成為光生載流子輸運(yùn)的天然通道，由于金紅石/銳鈦礦相異質(zhì)結(jié)中銳鈦礦的導(dǎo)帶邊能高于金紅石相，光生電子從銳鈦礦相轉(zhuǎn)移至金紅石相，而空穴則從金紅石相轉(zhuǎn)移到銳鈦礦相，導(dǎo)致有效的電子空穴分離，提高了光催化活性;

7、研究了在模擬太陽光輻射下對(duì)亞甲基藍(lán)的催化效果。
　　(4)我們以鈦酸異丙脂作為鈦源，六水硝酸鈰作為鈰源，將具有可見光吸收的窄帶隙的半導(dǎo)體材料CeO2復(fù)合到TiO2納米顆粒表面形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制備了CeO2/TiO2異質(zhì)結(jié)納米花，復(fù)合物的紫外-可見光吸收邊由紫外光區(qū)域拓寬到可見光區(qū)域，從而提高光響應(yīng)范圍，采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、和紫外-可見光吸收(UV-vis)等表征手段對(duì)制備的樣品形貌和結(jié)構(gòu)

8、進(jìn)行測(cè)試，并以甲基橙為目標(biāo)污染物，測(cè)試了樣品的光催化性能;由于CeO2的導(dǎo)帶底電位高于TiO2的導(dǎo)帶底電位，因而CeO2導(dǎo)帶激發(fā)的電子可以由兩者的接觸面很輕松地轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶;類似的，TiO2價(jià)帶產(chǎn)生的空穴可以由兩者的接觸面注入到CeO2的價(jià)帶上。這使得光生電子-空穴對(duì)能夠快速分離，有助于提高光催化活性;另外，在可見光下，CeO2激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光生電子可以從CeO2導(dǎo)帶傳到TiO2的導(dǎo)帶，光生空穴可以從TiO2的價(jià)帶轉(zhuǎn)移到