摻雜鈦基納米材料的制備、表征及光催化性能研究.pdf

1、近年來,非均相光催化在環(huán)境保護領域內(nèi)的水和氣相有機、無機污染物的光催化去除研究方面取得了很大進展,被認為是一種極具發(fā)展前途的環(huán)境污染凈化技術。其中,鈦基光催化劑由于具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、光催化活性高、降解有機物徹底、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,受到了廣泛的關注。然而,TiO2光量子產(chǎn)率低、光譜響應范圍窄、固定化條件苛刻等缺點又制約著鈦基光催化劑的實用化和工業(yè)化。為了提高TiO2的量子產(chǎn)率及催化活性,摻雜改性被公認為是一種較好的方法。目前,作為鈦基

2、納米材料摻雜組分的元素已覆蓋過渡金屬,貴金屬,稀土金屬和非金屬等等,但如何在光催化降解污染物的過程中高效利用這些具有良好性能的摻雜鈦基納米材料,特別是如何進一步提高鈦基材料的可見光催化效率和降低其生產(chǎn)成本,仍面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。
　　 基于此,本文一方面從制備具有可見光催化性能的納米結構材料入手,采用溶膠凝膠法制備了一系列過渡金屬摻雜的鈦基反向蛋白石結構材料,這種復合功能材料可以將金屬摻雜的優(yōu)勢和反向蛋白石結構的獨特性質(zhì)相耦合,提高

3、材料的可見光活性；另一方面是采用嵌段共聚物輔助的溶膠凝膠法在120℃下得到了碘摻雜TiO2納米晶,其結晶,碘摻雜和介孔結構的形成均在制備過程中同時完成,該方法具有條件溫和,能耗低,無需有機溶劑等優(yōu)點,可降低合成可見光響應型光催化劑的生產(chǎn)成本,具有較好的應用前景。本文的主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　 第一,采用乳液聚合法,通過對乳化劑濃度,引發(fā)劑用量,攪拌速率與攪拌溫度等實驗條件進行優(yōu)化,得到平均粒徑為190nm,多分散指數(shù)為0.

4、0529的單分散聚苯乙烯微球。并在此基礎上,通過垂直提拉法成功制備了聚苯乙烯膠體晶體模板。其中,提拉過程在自行設計并組裝的提拉膜機上完成。與市售提拉膜機相比,自制的提拉膜機具備兩個特點,一是通過兩重減速將提拉速度降低至1.5μm／min以滿足蛋白石結構材料的組裝過程,二是通過以螺杠為核心的傳動系統(tǒng)減少傳統(tǒng)裝置中利用導線所引起的誤差和不便。產(chǎn)物的形貌呈六方排列,具有典型的蛋白石結構,并且缺陷較少,可作為制備反向蛋白石結構材料的膠體晶體模板

5、使用。
　　 第二,在制備膠體晶體模板的基礎上采用溶膠凝膠法制備了TiO2反向蛋白石結構材料,并采用相似的方法,以過渡金屬鐵、鋅、鉻的硝酸鹽為摻雜組分得到了過渡金屬摻雜的鈦基反向蛋白石結構材料。樣品均呈現(xiàn)三維有序大孔的反向蛋白石結構材料特征,摻雜組分的引入及摻雜比的變化均會使樣品的形貌發(fā)生變化。過渡金屬離子分別以Fe3+,Zn2+,Cr3+的價態(tài)進入到TiO2的晶格中,并導致Ti2p3軌道和O1s軌道存在化學位移,且TiO2表面

6、的羥基氧含量與未摻雜組分相比有所增加。以羅丹明-B和亞甲基藍作為降解底物的可見光降解實驗表明,Fe摻雜鈦基反向蛋白石結構材料的光催化活性明顯優(yōu)于未摻雜的樣品,其中摻雜比為10％的樣品活性最高,在4h內(nèi)對羅丹明-B的降解率達85％以上。此外,還以乳酸銨鈦作為鈦源,硝酸鎳作為摻雜組分,采用水溶劑法制備了Ni摻雜鈦基反向蛋白石材料。該方法可進一步拓展溶膠凝膠法的適用范圍。
　　 第三,利用三嵌段共聚物輔助的溶膠凝膠法在低溫條件下(12

7、0℃)制備了碘摻雜TiO2納米晶。結果表明,樣品呈銳鈦礦相TiO2特征,其原生顆粒粒徑約為5nm,在干燥后形成帶有介孔結構的小顆粒團聚體,其粒徑約為20～50nm,比表面積約為259m2／g,孔徑約為3.6nm。碘以I2或(I2)n的形式存在。與未摻雜樣品相比,其羥基氧含量和可見光區(qū)間內(nèi)的吸收明顯增強。并以羅丹明-B和二氯苯酚作為降解底物對低溫制備的碘摻雜TiO2納米晶進行了可見光催化活性評價。結果表明,碘摻雜TiO2納米晶的催化活性明