过渡金属掺杂二氧化钛与石墨烯纳米复合材料的制备及其光催化性能

发布时间：2020-07-12 05:49

【摘要】：本论文用过渡金属掺杂二氧化钛纳米颗粒与石墨烯自组装来构筑的新型凝胶纳米复合材料,并对新型的凝胶纳米复合材料的性质进行研究。制备了以石墨烯为载体通过聚乙烯亚胺(PEI)作交联剂作用负载过渡金属掺杂二氧化钛的纳米颗粒,对所得的新型凝胶纳米复合材料进行了较详细的结构表征,并研究了这种新型纳米复合材料结构与其光催化性能的关系,探索了这类新型纳米复合材料在光催化降解染料等方面的应用前景,过渡金属掺杂二氧化钛的新型纳米复合材料在水污染处理方面打下了基础。主要研究内容有如下几个方面:1、用过渡金属钴掺杂二氧化钛的方法将功能性的二氧化钛纳米颗粒通过聚乙烯亚胺(PEI)作交联剂在水热法下自组装到氧化石墨烯(GO)的表面。首先采用改进的Hummers法制得氧化石墨烯(GO),再利用氧化石墨烯为基体,硫酸钛和氯化钴为前驱体,并通过聚乙烯亚胺(PEI)为交联剂,采用一步水热法成功合成了钴负载TiO_2/氧化石墨烯纳米复合材料(Co@/TiO_2/PEI/RGO)。由于该材料具有大比表面积结构及较好分散性,解决了纳米复合催化剂在催化过程中容易团聚、难以分离以及回收等缺陷。通过紫外-可见吸收光谱法、X-射线衍射、透射电子显微镜和X-射线光电子能谱对复合材料的结构和光电性能进行了表征。在紫外-可见光照条件下,研究了复合材料的光催化降解亚甲基蓝(MB)的性能。结果表明钴负载TiO_2/RGO纳米复合材料具有较高的光催化活性,在360min内降解率为99%,可循环至少10次。2、用过渡金属银掺杂二氧化钛的方法将功能性的二氧化钛纳米颗粒通过聚乙烯亚胺(PEI)作交联剂在水热法下自组装到氧化石墨烯的表面。首先采用氧化石墨烯为基体,硫酸钛和硝酸银为前驱体,并通过聚乙烯亚胺(PEI)为交联剂,采用一步水热法成功合成了银负载TiO_2/氧化石墨烯纳米复合材料(Ag@/TiO_2/PEI/RGO)。由于银具有特殊惰性电子结构提高了纳米复合材料的光吸收性能,解决了纳米复合催化剂在催化过程中吸收效率低等缺陷。通过紫外-可见吸收光谱法、X射线衍射、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对复合材料的结构进行了表征。在紫外-可见光照条件下,研究了该复合材料在水溶液中对亚甲基蓝的光催化降解性能,并研究发现H_2O_2的加入对Ag@/TiO_2/PEI/RGO纳米杂化材料的催化降解活性具有很大的影响。结果表明银负载TiO_2/RGO纳米复合材料具有较高的光催化活性,在270min内降解率为99%,可循环至少10次。3、用过渡金属金掺杂二氧化钛的方法将功能性的二氧化钛纳米颗粒通过聚乙烯亚胺(PEI)作交联剂在水热法下自组装到氧化石墨烯(GO)的表面。首先利用氧化石墨烯为基体,硫酸钛和四氯金酸为前驱体,并通过修饰石墨烯的聚乙烯亚胺(PEI)为交联剂,再采用一步水热法成功合成了金负载TiO_2/氧化石墨烯纳米复合材料(Au@/TiO_2/PEI/RGO)。由于金具有更好的特殊惰性电子性能,使其光吸收效率得到了更大的提高。通过紫外-可见吸收光谱法、X射线衍射、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对复合材料的结构进行了表征。在紫外和可见光照条件下,研究了该复合材料的光催化降解亚甲基蓝(MB)的性能和H_2O_2加入对催化性能的影响。结果表明,金负载TiO_2/RGO纳米复合材料在100min内降解率为99%,可循环至少10次。通过试验结果对比钴、银及金掺杂二氧化钛负载石墨烯纳米杂化材料对亚甲基蓝的催化活性,得出这三种催化剂降解染料的效果为AuAgCo。更为重要的是该类催化剂具有高效分离性能,能实行多次循环使用。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O643.36;TB332
【图文】：

硕士学位论文锐钛矿和板钛矿的结构可以用(TiO6)八面体来讨论。这三的畸变和八面体链的组装模式而不同。锐钛矿型可以边所构成的四方相结构，板钛矿型和金红石型是由共边体组成。锐钛矿型和金红石矿型两种晶型结构均可由相示，在金红石结构中，每一个 TiO6八面体与相邻的 ，其中 2 个共边，其余 8 个共顶点。在锐钛矿结构中，每 8 个 TiO6八面体，其中 4 个共边，其余 4 个共顶点，

图 1.2 几种半导体的能带边位置光致电子转移到被吸附粒子的能力取决于半导体的还原电位。导带底部的能级实际上是光电子的还原势光孔的氧化能力，每个值反映了系统促进还原和氧化半导体材料催化剂吸收能量(E)大于带隙宽度(Eg)的光(h 表示普朗克常数；c 表示真空光速； 表示光的波的光吸收阈值(λg)和带隙宽度(Eg)之间满足关系，即：λg (nm)=1240/Eg (eV)红石 TiO2的晶格结构的差异导致不同的密度和电子。通过能带结构公式计算，锐钛矿型 TiO2的带隙宽阈值为 413nm，光电反应过程中仅能被 387nm 紫外光仅有 4%左右。用下，光生电子和光生空穴迁移到 TiO2催化剂的表O2表面发生氧化还原反应，迁移到 TiO2表面的电子和·和 O2-·，迁移到 TiO2表面的空穴与吸附在其表面的

图 1.3 TiO2光催化机理图氧化过程可以简单的表示为：TiO2+ hν→TiO2+h+···························TiO2+ hν→ecb- +hvb+ ························O2+ ecb- →O2·- ·································H2O+hvb+→ OH + H+·························O2·-+H+→HO2·································2HO2·→H2O2+O2·······························H2O2+ ecb- → OH+OH-························OH+Organic dye→CO2+H2O ·················述的反应过程可得，因为光生电子-空穴对的存在，氧化还原了具有强氧化性的自由基，如：·OH 和·O2-等。这些活泼的自化所有的有机物，使有机物氧化分解转化为二氧化碳和水及其。同时，由于活泼自由基的氧化性很强，氧化反应不会停滞在中产生中间产物，就不会产生二次污染，是目前性价比较高的催

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本文编号：2751521