基于靜電紡絲技術的一維納米復合氧化物構(gòu)筑及其光催化性能研究.pdf

1、科學和技術的發(fā)展在給人們帶來極大的物質(zhì)生活利益的同時,也使得人類活動對自然界和環(huán)境造成了巨大影響,能源和環(huán)境問題成為人類可持續(xù)發(fā)展過程中亟待解決的問題。光催化技術是重要的化學過程，對于促進新能源和環(huán)境技術的發(fā)展有著重大的意義，如光催化水和空氣提純凈化，光解水產(chǎn)氫，高效低成本的太陽能電池。光催化技術在很大程度上依賴于新型高效的光催化劑的發(fā)展，一維納米結(jié)構(gòu)材料由于其特殊的物理化學性能而在光催化領域得到廣泛關注。靜電紡絲是一種構(gòu)筑一維納米材料

2、的簡單、直接、普適的方法，可以得到形貌結(jié)構(gòu)功能多樣的一維納米纖維。并且可以與其它方法相結(jié)合從晶體生長、摻雜、構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)方面對半導體催化劑進行改性，提高光催化活性。
　　鉍基半導體由于其具有良好的光催化性能而成為新型光催化材料的研究熱點之一。通過控制晶體生長、摻雜負載、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等技術，可以有效提高鉍基半導體材料的光吸收性能或抑制光生電子和空穴的復合，從而進一步提高其光催化性能。鈣鈦礦型金屬氧化物因其獨特的結(jié)構(gòu)成為另一類重要的新型光

3、催化劑。鈦酸鍶(SrTiO3)是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的具有多種用途的半導體材料，作為優(yōu)異的光催化劑由于能在光照下很好地降解有機污染物和分解水，其在光催化領域的應用在近年來開始備受關注。在本文中，利用靜電紡絲結(jié)合不同的方法制備了一系列一維納米鉍基半導體和鈣鈦礦型SrTiO3光催化劑，并研究了其光催化性能。主要內(nèi)容如下：
　　(1)采用靜電紡絲技術與合理熱處理方法相結(jié)合成功制備得到了Bi4Ti3O12多孔納米纖維。這種納米纖維由30–5

4、0nm顆粒組成，直徑為50–100nm，具有高的比表面積和相對窄的禁帶寬度，與不同形貌和不同方法制備得到的Bi4Ti3O12相比，在可見光降解RhB中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化性能，而且Bi4Ti3O12多孔納米纖維還具有良好的循環(huán)使用穩(wěn)定性。主要原因來自于三方面：Bi4Ti3O12本征層狀結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)和缺陷，多孔納米纖維結(jié)構(gòu)，這些因素都會促進光生電子和空穴的產(chǎn)生和分離，降低載流子的復合，從而提高光催化活性。
　　(2)利用靜電紡絲

5、與SILAR自組裝方法相結(jié)合成功制備了新穎的Bi4Ti3O12納米纖維/BiOI納米片p-n結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種Bi4Ti3O12/BiOI異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形貌、組成、光學性能可以通過SILAR循環(huán)次數(shù)來調(diào)控，得到的單晶BiOI納米薄片都呈現(xiàn)活性面{001}晶面暴露的特點，這有利于光催化活性的提高。制備得到的Bi4Ti3O12/BiOI的異質(zhì)結(jié)構(gòu)在可見光降解羅丹明B和苯酚中顯示了優(yōu)異的可見光活性，這歸因于BiOI的可見光光敏化和Bi4Ti3O12

6、/BiOI的p-n結(jié)協(xié)同效應：BiOI的納米片在可見光區(qū)域的強吸收;Bi4Ti3O12/BiOI p-n結(jié)的存在能通過其內(nèi)部靜電場作用使光生的電子-空穴對的復合率降低。
　　(3)通過靜電紡絲方法和合理熱處理，首次成功制備了直徑100–200nm Sillenite相的Bi12MO20(M=Ti,Ge,Si)納米纖維。Bi12TiO20、Bi12SiO20和Bi12GeO20納米纖維晶體結(jié)構(gòu)一致，并具有幾乎一致的化學成分，但禁帶寬

7、度分別為2.94、2.95和3.05eV，且具有不同的光催化性能。利用相應的犧牲劑研究結(jié)果表明，活性物種h+和H2O2，特別是H2O2在三種Bi12TiO20、Bi12SiO20和Bi12GeO20光催化降解 RhB中都起到了非常重要的作用。三種材料性能的不同可能因為它們具有不同的微觀結(jié)構(gòu)、帶隙寬度和電子結(jié)構(gòu)，如不同的價帶導帶構(gòu)成。
　　(4)采用單針頭靜電紡絲方法和簡單的一步熱處理成功制備了Cr摻雜SrTiO3多孔納米管，這種多

8、孔納米管直徑約100nm，管壁厚10–20nm，管壁由大量的介孔存在，還有少量的微孔和大孔存在，納米管之間相互交叉堆疊形成的大孔尺寸達到微米級，這些一起構(gòu)成了具有多孔型模式組成具有高的比表面積的多孔納米管結(jié)構(gòu)。Cr元素的摻雜量對可見光光催化活性影響較大，當Cr/Sr為4/100時，具有最高光催化活性。Cr摻雜SrTiO3納米管的優(yōu)異的光催化性能主要原因來自于幾方面：一維納米管狀結(jié)構(gòu)，高的比表面，多級多模式的孔結(jié)構(gòu)，Cr元素的摻雜，這些因