二氧化钛基纳米结构的制备、微结构调控及光催化性能增强研究

发布时间：2018-04-12 20:17

本文选题：TiO_2光催化 + 氟硼共掺杂　；参考：《安徽大学》2015年博士论文

【摘要】：21 世纪,环境和能源问题是人类面临的最大挑战。半导体光催化技术,为人类提供了一种有效治理环境污染和高效利用太能能的途径。自1972年日本科学家Fujishima 和 Honda发现TiO2作为单晶电极,在光照条件下,能将H2O分解成H2和02开始,以Ti02为代表的一系列半导体金属氧化物受到广泛的关注TiO2不仅具有抗腐蚀能力强、高效、无毒、价格低廉、光化学性能稳定等诸多优点,而且具有对环境友好、生物功能,如今被广泛应用的光催化剂之一。然而,Ti02光催化材料在实际应用中存在下列问题：量子效率低；光响应范围较窄,只能吸收太阳光中的紫外光；难以回收利用等,阻碍了其商业化的发展和实际应用。本论文围绕二氧化钛基光催化材料的组成、结构与性能的关系,系统深入的开展了研究工作,在高活性二氧化钛的微结构调控、非金属掺杂、半导体复合、光催化性能增强等方面的研究中取得一些研究成果,其主要内容可以概括为以下四个方面：(1)采用两步水热法制备了一种新奇的Ag@分层TiO2核-壳纳米结构二氧化钛,Ag核直径在200 nm左右,尺寸不是很均匀,纳米片组合的层状结构作为壳紧紧地包裹Ag纳米球,这种特殊结构保护了Ag纳米球不被腐蚀和溶解,且增大Ag和TiO2的接触而积；金属Ag作为光生电子的暂时聚集地,具有及时转移电子的功能,能高效的分离光生电子-空穴对,减缓其复合,提高载流子利用率并提高Ag@h-Ti02复合光催化剂催化性能；TiO2分层状的结构,比表面积较大,能吸附较多的染料,且能够增强光散射提高光的吸收几率,从而增强催化剂的光催化性能；在模拟太阳光作用通过8个循环测试了降解甲基橙和亚甲基蓝,结果表明其具有较好的光催化降解性能。(2)采用一步溶剂热法合成氟硼共掺杂TiO：纳米颗粒,以氟硼酸为氟、硼源,三氯化钛为钛源,通过调节两者的比例、反应的温度和时间等影响因素,成功制备了含有氧空位且暴露(100)晶面的TiO2纳米颗粒；当HBF4与TiCl3体积比为0.5：1时,反应温度和时间分别为200℃和12h时,制备样品的形貌为纳米片状且直径并不均匀.厚度较为均一,大约70nm,所暴露的(001)晶面也不是非常平滑完整的,而是存在很多凹陷和孔洞结构;相比纯的TiO2,由于氟与硼的协同作用提高了Ti02的可见光光催化活性,制备的光催化剂在紫外-可见光谱范围内对光催化降解甲基橙表现出较好的光催化活性。(3)我们以四氯化钛和尿素为反应物、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为模板,通过一步溶剂热法合成金红石相／锐钛矿相Ti02异质结纳米花;采用XRD,SEM,TEM和BET等表征手段对制备的金红石／锐钛矿Ti02异质结纳米花进行了测试；制备的Ti02异质结纳米花以金红石相Ti02为骨架,锐钛矿相Ti02纳米晶作为催化剂负载在其表面上,由于金红石相Ti02的能带与锐钛矿相Ti02之间存在差异,而且其骨架能够成为光生载流子输运的天然通道,由于金红石／锐钛矿相异质结中锐钛矿的导带边能高于金红石相,光生电子从锐钛矿相转移至金红石相,而空穴则从金红石相转移到锐钛矿相,导致有效的电子空穴分离,提高了光催化活性；研究了在模拟太阳光辐射下对亚甲基蓝的催化效果。(4)我们以钛酸异丙脂作为钛源,六水硝酸铈作为铈源,将具有可见光吸收的窄带隙的半导体材料Ce02复合到Ti02纳米颗粒表面形成异质结构,制备了CeO2/TiO2异质结纳米花,复合物的紫外-可见光吸收边由紫外光区域拓宽到可见光区域,从而提高光响应范围,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、和紫外-可见光吸收(UV-vis)等表征手段对制备的样品形貌和结构进行测试,并以甲基橙为目标污染物,测试了样品的光催化性能；由于Ce02的导带底电位高于Ti02的导带底电位,因而Ce02导带激发的电子可以由两者的接触面很轻松地转移到TiO2的导带；类似的,TiO2价带产生的空穴可以由两者的接触面注入到Ce02的价带上。这使得光生电子-空穴对能够快速分离,有助于提高光催化活性；另外,在可见光下,Ce02激发产生电子-空穴对,光生电子可以从Ce02导带传到Ti02的导带,光生空穴可以从Ti02的价带转移到Ce02的价带上,有助于电子-空穴对的分离,以提高其光催化性能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;TB383.1

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