二氧化鈦光催化性能研究及納米復(fù)合材料的制備.pdf

1、二氧化鈦半導(dǎo)體材料由于其強(qiáng)氧化性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于氣體傳感器、太陽(yáng)能電池、污水處理和空氣凈化等領(lǐng)域。然而由于二氧化鈦的禁帶寬度較大(銳鈦型及金紅石型二氧化鈦的禁帶寬度分別為3.2eV和3.0eV),只能吸收紫外光,而紫外光僅占太陽(yáng)光的5％左右,對(duì)太陽(yáng)能的利用率低。因此使二氧化鈦對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生響應(yīng)從而提高二氧化鈦半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)光利用效率是目前的研究熱點(diǎn)。不同形態(tài)結(jié)構(gòu)的二氧化鈦半導(dǎo)體材料由于其獨(dú)特的性能在不同

2、的領(lǐng)域有各自潛在的應(yīng)用。一維納米結(jié)構(gòu)材料(納米線、納米棒、納米管、納米棒)由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)及新奇的物理化學(xué)性能而在納米器件、藥物釋放、微電子和納米傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。靜電紡絲技術(shù)是制備一維二氧化鈦納米材料相對(duì)簡(jiǎn)單通用的方法。本論文采用簡(jiǎn)單可行的非水溶膠-凝膠法,以四氯化鈦為前驅(qū)體,以乙醇為溶劑,不需要添加任何穩(wěn)定劑即可成功制備帶有醇鹽結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米粉體,然后利用二氧化鈦納米粉體制備了銳鈦型二氧化鈦水溶膠、DMF溶膠和碳摻

3、雜二氧化鈦納米粉體。并利用銳鈦型二氧化鈦水溶膠的光催化聚合反應(yīng)制備了PMMA/二氧化鈦納米雜化材料;以銳鈦型二氧化鈦DMF溶膠及PMMA聚合物為紡絲液,利用靜電紡絲技術(shù)制備PMMA/銳鈦型二氧化鈦復(fù)合纖維,經(jīng)過(guò)高溫處理得到了具有可見(jiàn)光響應(yīng)碳摻雜二氧化鈦納米纖維,并以亞甲基藍(lán)為降解模型考察了碳摻雜二氧化鈦納米纖維的光催化降解活性;利用碳摻雜的二氧化鈦納米粉體在可見(jiàn)光下催化聚合制備PMMA聚合物,并對(duì)聚合產(chǎn)物進(jìn)行了一系列的表征。本論文的主要

4、研究工作和結(jié)果如下:
　　(1)利用非水溶膠一凝膠法簡(jiǎn)單方便的合成了結(jié)晶二氧化鈦納米粉體,把制備得到的二氧化鈦納米粉體分散到水中即可得到不同質(zhì)量濃度的二氧化鈦水溶膠。同時(shí)將二氧化鈦納米粉體分散到DMF溶劑中得到了不同質(zhì)量濃度的二氧化鈦DMF溶膠。當(dāng)二氧化鈦含量較低時(shí),兩種溶膠均保持較好的光學(xué)透明性和存放穩(wěn)定性。XRD測(cè)試表明制備得到的二氧化鈦水溶膠及DMF溶膠中的二氧化鈦納米顆粒保持了初始納米粒子的銳鈦型結(jié)晶結(jié)構(gòu),且結(jié)晶度較高。D

5、LS測(cè)試顯示隨著二氧化鈦質(zhì)量濃度的增加,溶膠中的二氧化鈦顆粒的尺寸也逐漸增大。
　　(2)不同含量的MAA偶聯(lián)劑對(duì)二氧化鈦水溶膠進(jìn)行了表面改性,FT-IR分析證明MAA對(duì)二氧化鈦的改性是有效的。利用改性后的二氧化鈦水溶膠對(duì)MMA單體進(jìn)行光催化聚合制備了PMMA/二氧化鈦雜化材料。結(jié)果顯示MAA的引入有助于二氧化鈦納米粒子在PMMA聚合物基體中的均勻分散,從而有助于提高雜化材料的玻璃化溫度、熱穩(wěn)定性和光學(xué)透明性。
　　(3)利

6、用靜電紡絲技術(shù),以PMMA聚合物和銳鈦型二氧化鈦DMF溶膠為紡絲液制備了PMMA/結(jié)晶二氧化鈦雜化纖維。再經(jīng)高溫處理得到具有可見(jiàn)光響應(yīng)的銳鈦型碳摻雜二氧化鈦納米纖維。XRD分析證明PMMAY二氧化鈦雜化纖維中的無(wú)機(jī)組分仍保留了銳鈦型二氧化鈦的晶型。XPS結(jié)果表明可以通過(guò)對(duì)PMMA/二氧化鈦雜化纖維的高溫處理得到了碳摻雜二氧化鈦納米纖維。相對(duì)于PMMA/二氧化鈦雜化纖維而言,碳摻雜二氧化鈦納米纖維表現(xiàn)出更高的可見(jiàn)光催化活性。具有可見(jiàn)光吸收

7、的碳摻雜二氧化鈦納米纖維在污水處理及空氣凈化領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。
　　(4)利用制備得到的二氧化鈦納米粉體,經(jīng)過(guò)熱處理得到了碳摻雜二氧化鈦納米粉末。XRD分析表明碳摻雜的二氧化鈦納米粉體具有完美的銳鈦型結(jié)晶相。根據(jù)XPS分析可知,制備得到的碳摻雜的二氧化鈦納米粉體具有兩種摻雜形式碳原子。UV-Vis測(cè)試表明碳摻雜二氧化鈦納米粉體除了在紫外區(qū)域具有強(qiáng)的吸收之外,對(duì)可見(jiàn)光也具有很好的響應(yīng)。利用碳摻雜二氧化鈦納米粉體在可見(jiàn)光條件下成功合