納米二氧化鈦在有機(jī)納米纖維膜中的生長(zhǎng)機(jī)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(yáng)能的利用就引起研究員們及各界人士的關(guān)注來(lái)解決一些近在眉睫的環(huán)境與能源的問(wèn)題。由于能源如電能和燃?xì)獾男枨笾饾u增加，許多國(guó)家也建了不少發(fā)電廠以應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展的需求。然而社會(huì)的發(fā)展也帶來(lái)了不少環(huán)境問(wèn)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(yáng)光轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)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?xì)怏w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(lái)越多研究人員開(kāi)始利用污染物來(lái)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(yáng)光，二氧化碳和水合成有用的烴類(lèi)燃料，因此也被稱(chēng)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(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用。
　　本文對(duì)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(xué)特征與光催化效率的研究。在深入探討這些問(wèn)題之前，二氧化碳還原系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念先做個(gè)簡(jiǎn)介。
　　二氧化碳還原系統(tǒng)其實(shí)是由無(wú)機(jī)碳（二氧化碳）和化合物轉(zhuǎn)換成有機(jī)烴類(lèi)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(guò)一系列的還原氧化過(guò)程，半導(dǎo)體材料二氧化鈦利用太陽(yáng)光的能量促進(jìn)電子-空穴對(duì)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(jià)帶氧化水分子，最后

4、生成烴類(lèi)燃?xì)怏w。因此電子-空穴對(duì)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(duì)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(fù)性較強(qiáng)的氟原子改變二氧化鈦的表面活性同時(shí)抑制電子-空穴對(duì)的復(fù)合。
　　本文在導(dǎo)電薄膜FTO玻璃上生長(zhǎng)的二氧化鈦納米棒表面通過(guò)電化學(xué)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(zhǎng)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(guò)熒光分光光度測(cè)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(chēng)為定域表面等離子體(LSP)。
　　為了進(jìn)一步提高二氧化碳還原的效率，本文利用電負(fù)性較強(qiáng)的氟原子來(lái)改變二氧化鈦的表面活性。通過(guò)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(zhǎng)的二氧化鈦。這種聚偏氟乙烯/二氧化鈦復(fù)合膜是通過(guò)聚偏氟乙烯的氟

6、原子與鈦原建立了氟-鈦配位鍵來(lái)誘導(dǎo)結(jié)晶的二氧化鈦納米顆粒的生長(zhǎng)。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(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)與結(jié)晶。
　　在調(diào)控不同的水熱環(huán)境來(lái)探討二氧

7、化鈦的生長(zhǎng)過(guò)程并研究其機(jī)理。
　　文中的納米纖維聚偏氟乙烯膜上生長(zhǎng)的二氧化鈦在二氧化碳還原效率在學(xué)術(shù)界給予了一點(diǎn)的小貢獻(xiàn)，然而所得到的轉(zhuǎn)換效率還存在不足的地方。例如無(wú)法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)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(lái)調(diào)控可見(jiàn)光的吸收。在制備氮摻雜的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原來(lái)生長(zhǎng)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(gè)溶解在形核并生長(zhǎng)過(guò)程也可以通過(guò)調(diào)控不同的水熱環(huán)境逐步觀測(cè)。雖然這種氮摻雜

8、的二氧化鈦并沒(méi)有大幅度地提升二氧化碳還原的效率，但是它實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光下的轉(zhuǎn)換。本文利用了模擬太陽(yáng)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(jìn)一步提升。
　　因此，本文最后提出了一些建議和總結(jié)此項(xiàng)工作的未來(lái)展望。根據(jù)閱讀的文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)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(duì)的復(fù)合及提高二氧化碳?xì)怏w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(duì)論文的總體內(nèi)容進(jìn)行概述。
　　第二章是文獻(xiàn)綜述，對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)部分，主要介紹了實(shí)驗(yàn)方法及表征方法。
　　第五章主要研究靜電紡絲制備方法對(duì)材料微結(jié)構(gòu)的影響。
　　第六章主要研究利用靜電紡