二氧化鈦納米帶異質結構的制備及其光催化性能研究.pdf

1、全球性的污染問題日趨嚴重，人們生存環(huán)境不斷惡化，如何有效地治理環(huán)境污染，尤其是水污染，成為了人類面臨和亟待解決的重大課題。目前，國內外對水污染中有機物的處理通常采用微生物處理法、活性炭吸附法、膜萃取法、化學還原法、超聲波降解法等傳統(tǒng)處理方法。雖然這些方法對水污染的治理起了很大作用，但是這些技術不同程度地存在著或效率低，不能徹底除去污染物，易產(chǎn)生二次污染；或使用范圍窄，僅適合特定的污染物；或能耗成本高，反應器設計困難，不利于大規(guī)模推廣等方

2、面的缺陷。因此，開發(fā)高效、低能耗、使用范圍廣和具有深度氧化能力的治理水污染的方法具有很重要的理論和實際意義。而光催化降解有機物作為一種新型高效的方法，進入了科學家們的視野，并成為了近些年來的一個研究熱點。
　　 Ti02作為一種寬帶隙半導體，光催化活性高，具有良好的化學穩(wěn)定性和耐光腐蝕性，是比較理想的光催化劑。隨著納米科技的快速發(fā)展，Ti02納米半導體材料在能源開發(fā)和環(huán)境凈化等方面表現(xiàn)出了巨大的生命力，必將在環(huán)境治理領域和太陽能

3、利用領域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。但是以往的研究主要集中在二氧化鈦顆?；蛘弑∧ど希瑢τ诙趸伡{米帶的研究相對比較少。同時，由于Ti02納米顆粒應用于污水處理領域時，在光催化過程中顆粒本身易聚集，光的穿透深度受影響，且不易分離、難于回收重復利用。而二氧化鈦納米帶，解決了回收困難的難題。另外，還可以以Ti02納米帶為基礎，在其表面設計生長異質結構，進一步提高其光催化性能。
　　 本文的主要內容是在水熱法批量制備高質量Ti02

4、納米帶的基礎上，通過酸腐蝕法、光催化還原法以及液相法合成不同的納米帶表面異質結構，并且對納米帶表面異質結構的光催化性能進行了研究，旨在為以后的污水處理等實際應用提供理論依據(jù)。
　　 本論文的主要結論如下：
　　 1、通過水熱法大批量地合成高質量的二氧化鈦納米帶。研究了熱處理溫度以及保溫時間對納米帶晶相和形貌的影響。結果表明：熱處理溫度為600℃，保溫時間為lh的二氧化鈦納米帶寬度在50～200nm，長度可達數(shù)十微米，厚度

5、在50nm左右；隨著熱處理溫度的升高和保溫時間的延長，納米帶的形貌會受到一定程度地破壞；如果需要得到純相的銳鈦礦納米帶，熱處理溫度需要提高到800℃，而其他條件下的產(chǎn)物均為銳鈦礦和Ti02-B的混合相。通過光催化降解甲基橙對其光催化性能進行了表征，以熱處理溫度為600℃，保溫時間為lh的納米帶光催化性能最佳。
　　 2、通過硫酸腐蝕的方法制各了Ti02納米顆粒@Ti02納米帶表面異質結構，研究了不同腐蝕溫度、不同硫酸濃度、不同反

6、應時間對產(chǎn)物的晶相以及形貌的影響，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結果表明：反應溫度越高，酸濃度越大，反應時間越長，越有利于納米帶異質結構的形成，同時，也有利于銳鈦礦晶相的生成。相同的腐蝕時間，相同的酸濃度，反應溫度60℃的產(chǎn)物的光催化性能遠低于反應溫度為100℃和140℃的產(chǎn)物。在相同溫度，相同的腐蝕時間下，酸濃度對產(chǎn)物的光催化性能影響不大。濃度為0.02 mol/L和1 mol/L的產(chǎn)物的光催化性能優(yōu)于濃度為0.1 mol/L和0.5

7、 mol/L的產(chǎn)物。通過酸腐蝕條件的探索，確定最佳腐蝕條件為100℃，0.02 mol/L。在100℃，0.02 mol/L的腐蝕條件下，反應時間越長，光催化性能越好。反應24 h的產(chǎn)物的光催化性能與P25相當。Ti02納米顆粒@Ti02納米帶異質結構光催化性能提高的原因是由其特有的結構所決定的。這也是納米顆粒的尺寸效應、適量的缺陷、較高的比表面積、較多的活性面、能級的耦合調控多方面因素共同作用的結果。
　　 3、通過光催化還原

8、方法制備了Ag納米顆粒@Ti02納米帶表面異質結構，研究了不同溶劑和反應時間對產(chǎn)物的影響，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結果表明：Ag+被還原形成了Ag納米顆粒，原位組裝在Ti02納米帶的表面。在相同的光照時間下，納米帶表面沉積的銀顆粒，以乙醇作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸>以乙醇和水作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸>以水作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸。在相同的反應溶劑中，光照時間越長，Ag的顆粒尺寸越大。不同條件制得的產(chǎn)物的光催化性能差別不大，對甲

9、基橙的降解率在38～44.9％之間。其光催化性能與普通的Ti02納米帶相比，降解率提高了近一倍。Ag@Ti02納米帶異質結構光催化性能提高的原因，主要在于Ag顆粒沉積于納米帶表面，形成Schottky能壘，Ag顆粒易于捕獲光生電子，降低了空穴-電子對的復合率；Ag顆粒上富集的電子會與Ti02納米帶表面吸附的02結合，形成超氧離子自由基(·02-)，從而進一步氧化降解有機物。
　　 4、通過液相合成法在二氧化鈦納米帶表面沉積CdS

10、納米顆粒，制備了CdS納米顆粒@Ti02納米帶表面異質結構，還研究了CdS@Ti02納米帶異質結構的光催化性能。所制得的產(chǎn)物為CdS納米顆粒沉積于Ti02納米帶的表面，Ti02納米帶的寬度為50～200nm，長度達到數(shù)十微米，厚度在50 nm左右，而CdS2為10nm左右的顆粒。與普通Wi02納米帶相比，其光催化性能有了一定的提高。光催化性能提高的原因在于CdS和Ti02的帶隙不同，不同帶隙的半導體實現(xiàn)能級交錯，有利于光生載流子的輸運與

11、分離。
　　 5、通過硫酸溶液腐蝕和光催化還原相結合的方法制備Ag納米顆粒@Ti02納米顆粒@Ti02納米帶表面雙異質結構，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結果表明：此納米帶雙異質結構的最顯著特點是具有“自復活”性能，即使在空氣中被氧化，經(jīng)過紫外光照Ti02上產(chǎn)生的電子也能夠將其還原為單質Ag，從而保持雙異質結構光催化性能的長效性。通過Ag納米顆粒沉積的雙異質結構納米帶的光催化性能高于未沉積Ag納米顆粒的單異質結構納米帶；經(jīng)過12