共軛分子-二氧化鈦復合材料的制備及光催化性能研究.pdf

1、半導體光催化技術(shù)是解決環(huán)境污染和能源危機的有效手段之一。作為典型的半導體光催化劑,銳鈦礦相二氧化鈦(TiO2)具有氧化能力強、無毒無害、廉價易得等優(yōu)點。然而,其禁帶寬度達3.2eV,只能吸收波長小于387nm的紫外光,太陽能利用率低;此外,光生電子-空穴對的再復合現(xiàn)象嚴重,導致材料量子效率很低。這兩方面的固有缺陷對TiO2在光催化技術(shù)方面的應用構(gòu)成了嚴重限制。為了克服這些缺點,本文主要圍繞TiO2的復合改性,制備了一系列共軛分子/TiO

2、2復合材料,并對其光催化活性等理化性質(zhì)和催化機理進行了詳細的表征和深入的研究,具體內(nèi)容如下:
　　以層狀質(zhì)子化鈦酸鹽(LPT)為新型前軀體,通過溶劑熱法制備得到了{001}面暴露的TiO2納米晶。通過XRD和TEM對比研究了不同前軀體制備的TiO2納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌,并研究了HF的用量對TiO2的顆粒尺寸、比表面積以及{001}面暴露率的影響。結(jié)果表明,傳統(tǒng)上直接以鈦酸丁酯為前軀體制備的{001}面暴露TiO2納米片的尺

3、寸較大,而以LPT為新型前軀體制備的{001}面暴露TiO2納米晶雖然{001}面暴露率不高,但是其顆粒尺寸小,比表面積高;與傳統(tǒng)大尺寸、高{001}暴露率的TiO2納米片相比,所得納米晶具備更加優(yōu)異的紫外光催化能力;氫氟酸的用量對{001}面暴露TiO2納米顆粒的尺寸、比表面積和{001}面暴露率都有重要影響。
　　通過設(shè)計的兩步法制備了一種新型的聚苯胺/二氧化鈦(PANI/TiO2)復合材料,采用X射線衍射(XRD)和透射電子

4、顯微鏡(TEM)對比研究了新型和傳統(tǒng)PANI/TiO2復合材料的晶相組成以及微觀形貌的差異,借助紫外-可見漫反射(UV-visDRS)、紅外(IR)和X射線光電子能譜(XPS)等表征手段分析了新型復合材料的光吸收性質(zhì)以及復合材料中PANI和TiO2組分之間的相互作用,此外還研究了新型PANI/TiO2復合材料的光穩(wěn)定性和循環(huán)降解活性。將一維PANI納米纖維引入TiO2的晶體生長過程后,發(fā)現(xiàn)PANI納米纖維可以作為一種有效的模板,通過界面

5、化學鍵來穩(wěn)定所生成的TiO2納米顆粒,并將TiO2的顆粒尺寸限制在納米范圍。PANI纖維的引入在一定程度上抑制了新形成的銳鈦礦納米顆粒向金紅石相的轉(zhuǎn)變。同時由于PANI的敏化效應,復合材料在紫外和可見光區(qū)的光譜范圍內(nèi)均顯示出了良好的光響應特性。相比于TiO2和傳統(tǒng)PANI/TiO2復合材料,新型復合材料的可見光活性明顯增強,同時又不影響TiO2的紫外光催化能力。
　　采用一步水熱法制備了石墨烯/{001}面暴露TiO2復合材料,通

6、過XRD、TEM、原子力顯微鏡(AFM)研究了復合材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌,利用XPS、拉曼(Raman)和IR分析了復合材料中石墨烯和TiO2之間的相互作用,通過光致發(fā)光(PL)、自由基和空穴的捕獲測試以及電子順磁共振(EPR)技術(shù)研究了復合材料的紫外光催化機理。結(jié)果表明,在水熱過程中氧化石墨(GO)還原為石墨烯(RGO),而銳鈦礦相TiO2納米片則在RGO片層結(jié)構(gòu)的表面原位結(jié)晶;與TiO2相比,RGO/TiO2的紫外光活性增強,這源

7、于復合材料中RGO和TiO2兩種組分之間的相互作用和協(xié)同效應。協(xié)同效應的存在使得TiO2的光生電子更容易向RGO表面發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而抑制了光生電子-空穴對的再復合,延長了光生載荷子的壽命。在紫外光照射下,光生空穴是RGO/TiO2復合光催化體系中的主要氧化物種。
　　以石墨相氮化碳(g-C3N4)和{001}面暴露的銳鈦礦相TiO2為原料,通過溶劑揮發(fā)法制備了g-C3N4/TiO2復合材料。采用XRD、掃描電子顯微鏡(SEM)和TE

8、M研究了復合材料的晶相組成和微觀形貌,利用UV-visDRS研究了復合材料的光吸收性質(zhì),結(jié)合IR和PL光譜分析了復合材料中g(shù)-C3N4和TiO2組分之間的相互作用和協(xié)同效應,最后通過自由基和空穴的捕獲測試以及EPR研究了復合材料的紫外和可見光催化機制。結(jié)果表明,g-C3N4的復合并不改變TiO2的銳鈦礦結(jié)構(gòu);g-C3N4與{001}面暴露的TiO2顆粒之間有界面接觸和相互作用;在光催化過程中g(shù)-C3N4和TiO2兩組分之間存在有效的電荷