基于二氧化鈦團(tuán)聚球的異質(zhì)結(jié)納米材料的合成及催化研究.pdf

1、自從上世紀(jì)20年代早期開始大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)以來，二氧化鈦這種具有獨特半導(dǎo)體與催化性能的材料就受到了人們的廣泛關(guān)注。作為一種典型的寬帶隙氧化物半導(dǎo)體材料，二氧化鈦以其優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性、高催化活性、無毒性、耐光腐蝕、制備容易與成本低廉等優(yōu)點，成為了應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體催化材料之一。然而，在實際應(yīng)用中，較低的量子效率、較窄的光響應(yīng)范圍與難以回收再利用等客觀存在的問題很大程度的制約了其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，在實際應(yīng)用中常利用表面負(fù)載與改性以期

2、獲得改善的二氧化鈦性能，其中最為典型的就是異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)改性。本論文的主要內(nèi)容即為基于二氧化鈦團(tuán)聚球的異質(zhì)結(jié)納米材料的合成與催化應(yīng)用，主要工作如下：
　　1）利用改良的溶膠-凝膠法制備得到了直徑分布為370-450 nm的二氧化鈦納米顆粒團(tuán)聚球（TiO2 nanoparticle aggregated sphere，TiO2 NPAS），該團(tuán)聚體由粒徑尺寸19.0至21.0 nm的銳鈦礦晶相二氧化鈦納米顆粒構(gòu)成。通過正交對比實驗確定了

3、制備過程中的最優(yōu)條件，并系統(tǒng)的研究了其結(jié)構(gòu)組成與形成機(jī)理。
　　2）在已經(jīng)制備得到TiO2 NPAS的基礎(chǔ)上，采用化學(xué)共沉淀法，通過氧化銀納米顆粒的負(fù)載，獲得了一系列不同 TiO2/Ag2O重量比的氧化銀負(fù)載改性二氧化鈦納米顆粒團(tuán)聚球（Ag2O/TiO2 NPAS）光催化劑。氧化銀納米顆粒均勻的負(fù)載于TiO2 NPAS的表面，呈相互獨立的狀態(tài)，其顆粒直徑約為10.0-60.0 nm。在模擬太陽光下，利用這種Ag2O/TiO2 NP

4、AS獲得的最佳光催化降解效果為60分鐘完全降解14 mg/L的甲基橙水溶液。研究中，我們初步探索了該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理與影響因素，并研究了該體系的光催化機(jī)理。
　　3）利用光化學(xué)還原反應(yīng)，通過等離子體光催化劑的負(fù)載，獲得了一系列不同負(fù)載量的銀-氯化銀@二氧化鈦納米顆粒團(tuán)聚球（Ag-AgCl@TiO2 NPAS）光催化劑和銀-溴化銀@二氧化鈦納米顆粒團(tuán)聚球（Ag-AgBr@TiO2 NPAS）光催化劑，并研究了這兩種體系在可見光下

5、的光催化應(yīng)用。樣品中，負(fù)載于 TiO2 NPAS表面的Ag-AgCl納米顆粒和Ag-AgBr納米顆粒的粒徑約為5.0-15.0 nm，呈單分散的緊密連接狀態(tài)。兩種樣品均可以在較寬的負(fù)載量變化范圍內(nèi)分別達(dá)到可見光下60分鐘和40分鐘完全降解14 mg/L甲基橙水溶液的降解效果。通過系統(tǒng)的表征，我們初步探討了Ag-AgCl@TiO2 NPAS體系和Ag-AgBr@TiO2 NPAS體系可見光光催化機(jī)理的異同。
　　4）通過經(jīng)過改良的化

6、學(xué)共沉淀法在已經(jīng)獲得的TiO2 NPAS樣品表面負(fù)載鉑納米顆粒，制備得到了一種新型的鉑-二氧化鈦納米顆粒團(tuán)聚球（Pt/TiO2 NPAS）電催化劑。該樣品的粒徑分布約為450-600 nm，其表面負(fù)載的鉑納米顆粒粒徑為8.0-20.0 nm。與商業(yè)常用Pt/炭黑體系電催化劑相比，Pt/TiO2 NPAS體系在硫酸電解液或者氫氧化鉀電解液中均表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的電催化氧化甲醇或者乙醇性能。電化學(xué)表征結(jié)果表明該體系主要具有三方面的優(yōu)勢：1.更

7、大的氣-液-固三相界面；2.更多的孔洞與氣液交換通道；3.電解質(zhì)-工作電極界面上具有更快的電子轉(zhuǎn)移速率。
　　5）利用溶劑熱法，合成出了由銳鈦礦和TiO2(B)混合相二氧化鈦納米片自組裝形成的二氧化鈦納米片團(tuán)聚球（TiO2 nanosheet aggregated sphere，TiO2 NSAS）。這種TiO2 NSAS樣品由頂端相互連接的混合相二氧化鈦納米片，由內(nèi)向外自組裝團(tuán)聚形成，其直徑分布范圍約為2.5-4.5μm。通過系

8、統(tǒng)的表征手段，研究了TiO2 NSAS內(nèi)混合晶相的形成機(jī)理與影響因素。
　　6）利用溶膠-凝膠法輔助的溶劑熱反應(yīng)，一步制備出了與TiO2 NSAS樣品具有相同形貌結(jié)構(gòu)的一系列不同氧化銀負(fù)載量的Ag2O/TiO2 NSAS樣品。Ag2O/TiO2 NSAS樣品內(nèi)氧化銀納米顆粒均勻的負(fù)載于TiO2 NSAS結(jié)構(gòu)中的混合相納米片表面，其粒徑分布約為5.0-15.0 nm。利用制備得到的Ag2O/TiO2 NSAS樣品達(dá)到了可見光下55分