Zn2+離子摻雜TiO2一維納米材料的制備及其光催化性能研究.pdf

1、TiO2納米材料在光催化降解污染物、染料敏化、太陽能電池、光分解水等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由于TiO2禁帶較寬,對太陽能的利用效率較低,制約了其在實際中的應(yīng)用。本論文從材料改性及形貌改善兩個角度提高TiO2納米材料的可見光下的光催化活性及實用性。成功制備了TiO2納米粉末、納米纖維、納米管及Zn2+離子摻雜改性的TiO2納米纖維、納米管。試驗利用差示掃描量熱-熱重分析儀、X射線衍射儀、掃描電鏡、透射電鏡、比表面積測試儀、多角度超細(xì)顆粒

2、分析儀及傅立葉變換紅外光譜儀對所制備的材料進行了形貌、結(jié)構(gòu)、性能的表征。對于TiO2納米材料,結(jié)合DSC及XRD分析發(fā)現(xiàn),從凝膠到TiO2納米材料煅燒過程中,約400-450℃形成TiO2銳鈦礦相,金紅石相的形成約在450-550℃。所合成的TiO2納米粉末粒徑分布均勻,平均粒徑為30nm,有明顯的團聚現(xiàn)象,比表面積約為40m2/g。所制備的TiO2納米纖維,經(jīng)400℃、450℃、500℃、600℃煅燒4小時后,纖維直徑縮小至100-5

3、00nm;TEM分析顯示制備成的TiO2纖維是由一些5-10nm的小粒子堆砌而成,經(jīng)400℃煅燒4小時后的TiO2纖維比表面積為70.81m2/g。對于Zn2+摻雜改性的TiO2納米纖維,根據(jù)XRD、SEM及能譜分析確認(rèn)Zn2+以摻雜方式進入到TiO2晶格中。隨著Zn2+離子摻雜濃度的增加,DSC曲線出峰的溫度增加,但變化幅度很小,即Zn2+摻雜能降低TiO2納米纖維的成相及相轉(zhuǎn)變溫度;測試Zn2+摻雜濃度為0.52at％400℃煅燒4

4、h后的TiO2納米纖維比表面積為64.77m2/g。采用同軸電紡法成功制備了TiO2納米管,所制備的TiO2納米管經(jīng)400℃煅燒4h后相貌較好,管壁光滑,直徑均一,壁厚約為50nm。應(yīng)用量子化學(xué)密度泛函理論對TiO2材料及其過渡金屬Zn2+離子摻雜結(jié)構(gòu)進行了模擬計算,分析結(jié)果顯示,Zn2+離子摻雜后使能帶帶隙變小,光吸收邊紅移,有利于材料的可見光下光催化性能。研究了所制備的各種TiO2納米材料分別在紫外光和可見光下的光催化性能。實驗結(jié)果

5、表明,在紫外光區(qū),在實驗范圍內(nèi)所制備的各種TiO2納米材料對甲基橙的最高光降解率分別為:TiO2納米粉末85%,TiO2納米纖維69%,Zn2+摻雜TiO2納米纖維52%,TiO2管僅為30%?？梢钥闯?材料改性及形貌改變對TiO2材料在紫外光區(qū)的光催化性能影響較小;而在可見光區(qū),在實驗范圍內(nèi)所制備的各種TiO2納米材料對亞甲基蘭的最高光降解率分別為:TiO2納米粉末25%,TiO2納米纖維32%,TiO2納米管80%,Zn2+摻雜Ti