新型光催化及抗菌材料的濕化學(xué)法制備與性能研究.pdf

1、在全球性環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天，利用光催化技術(shù)治理環(huán)境污染引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。具有高催化活性、能充分利用太陽(yáng)光的光催化劑的制備與應(yīng)用，已成為材料科學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)和能源科學(xué)等領(lǐng)域廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)課題。TiO2光催化劑價(jià)廉，無(wú)毒，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，光催化活性較高，且具有一定的抗菌能力，在環(huán)境凈化領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是TiO2禁帶寬度大，光吸收范圍窄：光生電子和空穴復(fù)合幾率高，量子效率低。研究證明，通過(guò)改性可以提高TiO2的

2、光催化效率。因此，研究TiO2光催化材料的制備與改性，并配合研究具有可見(jiàn)光催化活性的半導(dǎo)體光催化劑，具有十分重要的意義。 本文選擇TiO2納米管，介孔TiO2，混合晶型TiO2，及具有可見(jiàn)光催化活性的BiVO4為研究對(duì)象，利用濕化學(xué)法，對(duì)其進(jìn)行改性或者物相、形貌控制合成來(lái)提高這些材料的光催化活性，并利用Ag沉積來(lái)增強(qiáng)TiO2-NTs的抗菌性能。為高活性的半導(dǎo)體光催化劑和無(wú)機(jī)抗菌劑的制備與應(yīng)用，提供了實(shí)驗(yàn)與理論支持。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)工

3、作，取得了一些創(chuàng)新性成果。 建立了化學(xué)沉積-光還原法，以水熱法制備的TiO2納米管為基體，制備了新型Ag/TiO2納米管復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ag含量和沉淀劑NaOH溶液的濃度對(duì)TiO2納米管表面銀沉積都有影響。當(dāng)Ag含量為2.50at.％，NaOH溶液的濃度為0.30mol·L-1時(shí)，可以獲得牢固附著在TiO2納米管表面，粒徑約3-5nm，高度分散的銀納米粒子。適量Ag沉積顯著提高了TiO2-NTs的光催化性能，銀含量為2.

4、5at.％的Ag/TiO2-NTs復(fù)合體系具有最高光催化活性。Ag沉積還顯著提高了TiO2-NTs的抗菌性能。自然光照下，Ag/TiO2-NTs復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌顯示出優(yōu)良的抗菌性能。研究了Ag沉積增強(qiáng)TiO2-NTs光催化活性的機(jī)制：Ag以金屬銀（Ag0）的形式沉積于TiO2-NTs表面，當(dāng)受到紫外光照時(shí)，Ag0與TiO2納米管之間形成Schottky能壘，抑制了電子和空穴的復(fù)合，提高了TiO2納米管的量子效率和光催化

5、活性。 采用表面化學(xué)反應(yīng)法，利用TiO2納米管表面的羥基基團(tuán)與Cu（en）2（OH）2之間的化學(xué)反應(yīng)制備了尚未見(jiàn)報(bào)道的Cu離子表面摻雜TiO2納米管。研究了Cu離子摻雜濃度，煅燒溫度等對(duì)樣品的結(jié)晶狀態(tài)和形貌的影響。適量的Cu離子表面摻雜顯著提高了TiO2納米管對(duì)羅丹明B的光催化活性。含Cu0.3at.％納米管具有最高的光催化活性。研究了Cu離子摻雜增強(qiáng)TiO2-NTs光催化活性的機(jī)制：表面摻雜的Cu離子以Cu2+和Cu+兩種形式

6、存在，抑制了TiO2-NTs光生電子和空穴的復(fù)合，提高了TiO2的量子效率；Cu離子表面摻雜使得TiO2-NTs禁帶寬度變窄，提高了TiO2-NTs對(duì)可見(jiàn)光的吸收。 建立了一種簡(jiǎn)便的超聲-水熱合成方法，制備了同時(shí)具有規(guī)則形貌、大的比表面積和良好晶化程度的新型Fe摻雜TiO2介孔微球。系統(tǒng)地考察了超聲處理，水熱溫度，水熱時(shí)間，F(xiàn)e摻雜濃度，煅燒溫度等反應(yīng)參數(shù)對(duì)樣品形貌和介孔結(jié)構(gòu)的影響。鐵摻雜濃度0.50at.％，水熱溫度150℃，

7、水熱反應(yīng)時(shí)間20h，煅燒溫度450℃條件下所制備的Fe摻雜介孔微球具有最大比表面積。其比表面積為182.75m2·g-1，平均孔徑為4.64nm，孔容積為0.196cm3g-1。適量Fe摻雜可以可顯著提高TiO2介孔微球的光催化活性。研究了Fe摻雜增強(qiáng)TiO2光催化活性的機(jī)制：Fe摻雜促進(jìn)了TiO2光生電子和空穴的分離，提高了TiO2的量子效率；Fe摻雜可以減小TiO2的禁帶寬度，增強(qiáng)TiO2在可見(jiàn)光區(qū)的吸收。 采用水熱法制備了

8、混合結(jié)晶相態(tài)TiO2，系統(tǒng)地考察了Ti源濃度，鹽酸濃度，水熱溫度，水熱時(shí)間等反應(yīng)參數(shù)對(duì)水熱產(chǎn)物的結(jié)晶相態(tài)和形貌的影響。通過(guò)控制反應(yīng)參數(shù)，獲得了具有楓球狀、葉片狀等新穎規(guī)則形貌的納米粒子。研究了混合結(jié)晶相態(tài)TiO2光催化活性與其結(jié)晶相態(tài)和形貌之間的關(guān)系。光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銳鈦礦占37.4％，金紅石占35.8％，板鈦礦占26.8％的混合結(jié)晶相態(tài)TiO2具有最高的光催化活性，其光降解反應(yīng)速率常數(shù)比銳鈦礦TiO2納米管更大。通過(guò)表面沉積適量A

9、g可以顯著提高混合結(jié)晶相態(tài)TiO2的光催化性能。沉積2.0at.％的Ag可以使混晶TiO2對(duì)甲基橙的光降解反應(yīng)速率常數(shù)提高1.5倍。 建立了一種簡(jiǎn)便的水熱合成方法，制備了具有規(guī)則形貌的單斜相BiVO4微晶，獲得了具有可見(jiàn)光催化活性的半導(dǎo)體光催化劑。系統(tǒng)地探討了溶液pH和表面活性劑對(duì)BiVO4微晶的晶體結(jié)構(gòu)和形貌的影響。獲得了棒狀，長(zhǎng)方體形，立方片狀，及花狀等不同新穎形貌的BiVO4微晶。并從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度探討了不同形貌Bi