一維鈦基納米材料的合成、改性及光催化性能研究.pdf

1、二氧化鈦或鈦酸鹽等一維鈦基納米材料由于其具有較大的比表面積和獨(dú)特的光電性質(zhì),成為最受關(guān)注的光催化材料之一。但是,近年來(lái)的國(guó)內(nèi)外研究表明,水熱法所得的一維鈦基納米材料雖然有一定的光催化作用,但是其光催化活性卻差于工業(yè)上用的P25 TiO2光催化材料,且在可見(jiàn)光下沒(méi)有任何催化作用。通過(guò)半導(dǎo)體的能帶理論得知,一維鈦基納米材料有很大的改性空間,通過(guò)改性可以得到光譜響應(yīng)范圍寬、光催化活性好的新型太陽(yáng)能材料。圍繞該研究方向,為得到改性后具有較高光催

2、化活性的材料,本文從一維鈦基納米材料的合成、改性及光催化應(yīng)用等角度進(jìn)行了深入研究。
　　 采用水熱法合成出一維鈦基納米材料,并分析合成工藝對(duì)材料物相、微觀結(jié)構(gòu)、光譜響應(yīng)范圍和光催化活性的影響,通過(guò)控制后處理工藝條件,可以得到兩類納米管材料,物相分析和微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)果得出兩類材料分別為鈦酸鈉納米管和鈦酸納米管。納米管的紫外可見(jiàn)漫反射光譜表明,鈦酸納米管的吸收帶邊為380 nm,較鈦酸鈉納米管發(fā)生紅移,根據(jù)Kubella-Munk

3、理論和間接半導(dǎo)體的假設(shè),計(jì)算出了鈦酸鈉納米管的能帶間隙為3.70 eV,而鈦酸納米管的能帶間隙為3.48 eV。還討論了熱處理溫度和時(shí)間對(duì)一維鈦基納米材料晶相和微觀結(jié)構(gòu)的影響,得出在400℃下保溫90 min可得到銳鈦礦晶型二氧化鈦納米管,在400℃保溫180 min后可得到銳鈦礦晶型二氧化鈦納米棒。
　　 運(yùn)用SEM、HRTEM和SAED等測(cè)試方法對(duì)納米管的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)未超聲分散前納米管出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,納米管錯(cuò)綜

4、交織成多孔的不規(guī)則顆粒,直徑約為2-3μm;超聲后,團(tuán)聚的顆粒被分散成單根的納米管,部分納米管會(huì)因超聲能量過(guò)大而發(fā)生斷裂,斷裂成100-500 nm長(zhǎng)的細(xì)小納米管。對(duì)單根納米管進(jìn)行高分辨圖像分析后,認(rèn)為鈦酸鈉納米管的管壁具有層狀結(jié)構(gòu),大約為3-5層,每相鄰兩層之間的間距大約為0.69 nm,每一層上沿納米管方向的晶體也呈現(xiàn)出有規(guī)律的點(diǎn)陣排列,晶格間距大約為0.35 nm。
　　 分別選用陽(yáng)離子染料亞甲基藍(lán)和陰離子染料甲基橙作為目

5、標(biāo)降解物,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了一維鈦基納米材料對(duì)染料的吸附和光催化特性。鈦酸納米管和二氧化鈦納米管對(duì)陽(yáng)離子染料表現(xiàn)出較好的吸附效果,但二氧化鈦納米棒和P25二氧化鈦卻沒(méi)有吸附作用,經(jīng)Zeta電位和紅外光譜分析,納米管與陽(yáng)離子染料間的作用為離子靜電吸附。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)對(duì)亞甲基藍(lán)的催化活性排序?yàn)門iO2納米管＞TiO2納米棒＞H2Ti3O7納米管,對(duì)甲基橙的催化活性排序?yàn)門iO2納米棒＞TiO2納米管＞H2Ti3O7納米管,研究表明材料的吸附作用有

6、利于光催化反應(yīng)進(jìn)行。
　　 為增強(qiáng)一維鈦基納米管的光催化效率和可見(jiàn)光的利用程度,采用離子交換方法改性材料。首先,通過(guò)離子交換方法合成了鈦酸鉛納米管和鈦酸鈷納米管,考察了過(guò)渡族金屬離子改性后納米管的物相、微觀結(jié)構(gòu)、光譜響應(yīng)范圍和光催化活性的變化。Pb2+離子改性后材料的光譜響應(yīng)范圍發(fā)生改變,通過(guò)計(jì)算材料的能帶間隙,得到離子交換成功的試樣TNN和TNA其能帶間隙值有所降低,而且光催化活性明顯提高。Co2+離子改性后材料的吸收范圍擴(kuò)展

7、至480 nm,且在500-650 nm范圍內(nèi)有小的吸收峰,降解甲基橙的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Ti:Co為1:1的試樣催化效率最高。
　　 經(jīng)研究表明,過(guò)渡族金屬離子改性后材料的催化效率有一定提高,但是仍和P25TiO2有所差距,隨后進(jìn)一步研究了稀土離子表面摻雜改性一維鈦基納米材料的合成及光催化活性。采用水熱合成和靜電表面摻雜兩步法合成了稀土離子摻雜的一維鈦基納米材料,并分析了改性材料的合成機(jī)理。使用太陽(yáng)能模擬光源研究了各材料對(duì)甲基橙的降解

8、,摻雜Eu3+,Er3+,Sm3+,La3+的TiO2催化效率均遠(yuǎn)高出TiO2納米棒和P25 TiO2,研究了不同熱處理溫度下試樣的催化效率,排序?yàn)?00℃＞400℃＞200℃,隨著溫度升高,試樣的催化效率也隨之提高。
　　 嘗試將一維鈦基納米材料應(yīng)用于有機(jī)爆炸物TNB及生物大分子lignin的光催化降解。lignin在紫外光下有微量降解,在加入光催化劑后催化效率大幅度提高,Sm3+、Er3+、La3+、Tb3+、pr3+離子摻