TiO2基納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與其催化性能的研究.pdf

1、本文選擇在光催化領(lǐng)域備受關(guān)注的二氧化鈦為研究對(duì)象，以密度泛函理論為基礎(chǔ)，利用第一性原理的計(jì)算軟件CASTEP對(duì)單斜態(tài)相TiO2的能帶、態(tài)密度等電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析，為關(guān)聯(lián)單斜態(tài)相TiO2的光學(xué)特性和催化性能的研究提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)研究中，以Ti(SO4)2為原料、30％的H2O2為絡(luò)合劑、NaOH為沉淀劑，采用新穎簡單的化學(xué)絡(luò)合水熱合成法制備了單斜態(tài)TiO2納米管。確定了制備單斜TiO2納米管的最佳工藝條件和參數(shù)；結(jié)合X-射線粉末衍射

2、儀(XRD)、激光拉曼光譜儀(LPS)、X-射線光電子能譜儀(XPS)、氮吸附BET比表面積測試、透射電鏡(TEM)、熱重分析儀(TG-DSC)、紅外光譜儀(FT-IR)等技術(shù)，對(duì)TiO2納米管的結(jié)構(gòu)、形貌、表面性能及晶相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征和細(xì)致的分析；以甲基橙的降解為探針反應(yīng)，研究了單斜態(tài)納米TiO2催化降解甲基橙的性能。以期為把握多晶相材料的構(gòu)效關(guān)系提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為水體中有機(jī)污染物的高效降解提供理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。
　　第一章

3、引言主要介紹納米TiO2的研究現(xiàn)狀，光催化基本原理，一維TiO2納米管的主要制備方法，第一性原理模擬計(jì)算的理論基礎(chǔ)，以及本文的選題意義和研究內(nèi)容。
　　第二章采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢方法進(jìn)行材料的模擬計(jì)算，使用第一性原理方法計(jì)算了銳鈦礦相TiO2和單斜態(tài)TiO2(B)結(jié)構(gòu)參數(shù)、能帶、態(tài)密度。結(jié)果表明：與銳鈦礦型TiO2相比，單斜態(tài)TiO2(B)結(jié)構(gòu)中Ti-O鍵也呈現(xiàn)較強(qiáng)共價(jià)鍵特征，但其對(duì)稱性降低，Ti-O鍵長及重疊布居

4、數(shù)也發(fā)生了變化；單斜態(tài)TiO2的禁帶變寬(Eg為2.875eV)，比實(shí)驗(yàn)值3.3eV小些，理論預(yù)測光吸收波長可發(fā)生藍(lán)移，計(jì)算結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。
　　第三章采用基于密度泛函理論的平面波贗勢方法，對(duì)Na0.2TiO2的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和電荷密度進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明，Na0.2TiO2屬于一種間接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.81eV；其電子態(tài)密度主要由Ti的3d層電子和O的2p層電子的能態(tài)密度決定；該材料對(duì)紫外線有較強(qiáng)

5、的寬頻吸收，拓展了光譜響應(yīng)范圍，提高太陽能利用轉(zhuǎn)化率和光催化效率；Ti-O鍵比Na-O鍵結(jié)合的更緊密，Na原子與O原子形成的是離子性較強(qiáng)而共價(jià)鍵較弱的混合鍵，Ti-O鍵的共價(jià)作用要強(qiáng)于Na-O鍵。因此，可以通過陽離子交換來調(diào)變鈦酸鈉的鍵特性及穩(wěn)定性。
　　第四章以Ti(SO4)2為鈦源，H2O2為絡(luò)合劑，NaOH為沉淀劑水熱反應(yīng)制備出單斜態(tài)結(jié)構(gòu)的TiO2(B)納米管，經(jīng)XRD、TEM、BET測試、XPS、TG-DSC等表征結(jié)果得知

6、：呈現(xiàn)規(guī)整的中空管狀，納米管兩端均為開口，管的外徑為6 nm至25nm不等，管的長度可達(dá)100nm以上，并且樣品的長徑比很高；另外，鈉離子主要覆蓋在TiO2(B)產(chǎn)品的表面，經(jīng)過去離子水多次洗滌樣品后不含有鈉離子。從TEM研究認(rèn)為水熱法制備TiO2(B)納米管的過程在水熱過程中形成的，即TiO2晶體與NaOH溶液反應(yīng)生成二維薄板層狀產(chǎn)物，然后薄板產(chǎn)物以[200]晶面為軸發(fā)生卷曲生成一維TiO2(B)納米管，整個(gè)過程經(jīng)歷了從3-2-1D的

7、過程。
　　第五章根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析，優(yōu)化出單斜態(tài)相TiO2納米管暗處催化降解甲基橙的最佳條件：相對(duì)于銳鈦礦和P25型TiO2，單斜態(tài)TiO2(B)納米管具有獨(dú)特的紅外吸收峰，有較寬的帶隙和較大的比表面積；單斜態(tài)納米TiO2(B)不僅在光照條件下存在催化活性，而且在無光條件下也有極高的催化活性。在暗處降解5 h，降解率可達(dá)到99%，為了使TiO2(B)催化劑保持高的催化活性，H2O2的存在是必需的而不是光照，TiO2(B)與H