納米二氧化鈦在有機納米纖維膜中的生長機制及其在二氧化碳光催化還原的應(yīng)用研究.pdf

1、由于環(huán)境的污染及日益漸增的能源消耗，自前幾十年前太陽能的利用就引起研究員們及各界人士的關(guān)注來解決一些近在眉睫的環(huán)境與能源的問題。由于能源如電能和燃氣的需求逐漸增加，許多國家也建了不少發(fā)電廠以應(yīng)對社會發(fā)展的需求。然而社會的發(fā)展也帶來了不少環(huán)境問題。因此，在1991年，Oregan和Gratzel發(fā)明了染料敏化電池，成功利用太陽光轉(zhuǎn)換成太陽能。
　　近年，全世界探討全球氣溫暖化現(xiàn)象是由于溫室效應(yīng)，而二氧化碳氣體在我們的空氣里的成分逐漸

2、增加是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的主要因素。因此，越來越多研究人員開始利用污染物來轉(zhuǎn)換成可用的能源。其中，二氧化碳還原系統(tǒng)也受到研究員的。二氧化碳還原系統(tǒng)是利用太陽光，二氧化碳和水合成有用的烴類燃料，因此也被稱為人工光合作用。這種轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是早在1987年由Thampi,Kiwi和Graetzel研發(fā)而得的。雖然隨后很多研究員都發(fā)表了很多相關(guān)的研究以實現(xiàn)此轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化及其應(yīng)用，但是目前的轉(zhuǎn)換效率還是無法實現(xiàn)有效的應(yīng)用。
　　本文對二氧化碳還原

3、系統(tǒng)的應(yīng)用材料做了系統(tǒng)的研究。從材料的微結(jié)構(gòu)探索結(jié)構(gòu)與性能的相互影響到材料的光學特征與光催化效率的研究。在深入探討這些問題之前，二氧化碳還原系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念先做個簡介。
　　二氧化碳還原系統(tǒng)其實是由無機碳（二氧化碳）和化合物轉(zhuǎn)換成有機烴類燃料的，因此半導(dǎo)體材料二氧化鈦扮演重要的角色。在通過一系列的還原氧化過程，半導(dǎo)體材料二氧化鈦利用太陽光的能量促進電子-空穴對的分離，然后電子在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶還原二氧化碳分子而空穴在價帶氧化水分子，最后

4、生成烴類燃氣體。因此電子-空穴對的分離效率主導(dǎo)了二氧化碳還原的效率，而為了抑制電子-空穴對的復(fù)合，本文提出了以下方法:
　　沉積銅納米顆粒于二氧化鈦表面以產(chǎn)生定域表面等離子效應(yīng)。
　　利用電負性較強的氟原子改變二氧化鈦的表面活性同時抑制電子-空穴對的復(fù)合。
　　本文在導(dǎo)電薄膜FTO玻璃上生長的二氧化鈦納米棒表面通過電化學方法沉積了銅納米顆粒。結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉積銅納米顆粒的納米棒薄膜在二氧化碳轉(zhuǎn)換的效率最高，F(xiàn)TO上生長的二氧

5、化鈦納米棒稍弱，而工業(yè)生產(chǎn)的P25二氧化鈦粉末樣品在二氧化碳轉(zhuǎn)換效率最低。通過熒光分光光度測試發(fā)現(xiàn)，沉積的銅納米顆粒在納米棒薄膜具有微弱的金屬納米結(jié)構(gòu)中電子的集體振蕩效應(yīng)。這種效應(yīng)也被稱為定域表面等離子體(LSP)。
　　為了進一步提高二氧化碳還原的效率，本文利用電負性較強的氟原子來改變二氧化鈦的表面活性。通過靜電紡絲水熱處理的復(fù)合方法，一種在納米纖維聚偏氟乙烯膜上生長的二氧化鈦。這種聚偏氟乙烯/二氧化鈦復(fù)合膜是通過聚偏氟乙烯的氟

6、原子與鈦原建立了氟-鈦配位鍵來誘導(dǎo)結(jié)晶的二氧化鈦納米顆粒的生長。此氟-鈦配位鍵不僅僅成功誘導(dǎo)了不同微結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米顆粒，也提高了二氧化鈦的在二氧化碳還原的效率轉(zhuǎn)換成甲烷氣體。
　　本文也介紹了利用靜電紡絲-水熱處理的復(fù)合方法制備了一種有機-無機復(fù)合膜的優(yōu)勢如下:
　　靜電紡絲方法可以制備具有較大的比表面積的多孔膜。
　　水熱處理方法能調(diào)控二氧化鈦在靜電紡絲膜上的生長與結(jié)晶。
　　在調(diào)控不同的水熱環(huán)境來探討二氧

7、化鈦的生長過程并研究其機理。
　　文中的納米纖維聚偏氟乙烯膜上生長的二氧化鈦在二氧化碳還原效率在學術(shù)界給予了一點的小貢獻，然而所得到的轉(zhuǎn)換效率還存在不足的地方。例如無法實現(xiàn)可見光下的轉(zhuǎn)化。因此本文也利用水熱處理方法摻雜了氮元素來調(diào)控可見光的吸收。在制備氮摻雜的過程中發(fā)現(xiàn)原來生長在納米纖維聚偏氟乙烯膜上的二氧化鈦先溶解到水熱溶液內(nèi)，再形核成氮摻雜的二氧化鈦。這個溶解在形核并生長過程也可以通過調(diào)控不同的水熱環(huán)境逐步觀測。雖然這種氮摻雜

8、的二氧化鈦并沒有大幅度地提升二氧化碳還原的效率，但是它實現(xiàn)了可見光下的轉(zhuǎn)換。本文利用了模擬太陽光照射所制得的樣品發(fā)現(xiàn)二氧化碳還原的效率難以繼續(xù)進一步提升。
　　因此，本文最后提出了一些建議和總結(jié)此項工作的未來展望。根據(jù)閱讀的文獻及實驗經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)除了樣品制備方法和調(diào)控樣品的特征之外，二氧化碳還原系統(tǒng)內(nèi)的還原劑也扮演著重要的角色。利用不同的還原劑有助抑制半導(dǎo)體二氧化鈦的電子-空穴對的復(fù)合及提高二氧化碳氣體在還原劑的溶解度。
　　本

9、論文的章節(jié)安排如下:
　　第一章是緒論，主要介紹本課題的研究目的及意義，并對論文的總體內(nèi)容進行概述。
　　第二章是文獻綜述，對二氧化碳還原系統(tǒng)的介紹，總結(jié)了材料的形貌，材料制備及處理方法的研究工作對光催化性能的影響。
　　第三章是工作框架，介紹了本論文的整體思路。
　　第四章是實驗部分，主要介紹了實驗方法及表征方法。
　　第五章主要研究靜電紡絲制備方法對材料微結(jié)構(gòu)的影響。
　　第六章主要研究利用靜電紡