氧化物修饰氧化钛纳米管状结构的制备及光催化性质研究

发布时间：2020-11-04 06:55

　　 近年来,TiO2光催化技术受到了世界各国环境领域研究者地强烈关注,TiO2材料光催化剂非常有希望能够在光解水制氢以解决能源问题及光催化分解有机物以进行环境污染治理等方面发挥重要作用。在各种形貌结构的纳米TiO2材料中,Ti O2纳米管阵列拥有更大的比表面积、孔体积和更高的表面活性能,同时它还拥有更强大的吸附能力,在反应中展示出了更高效的光催化活性和光电转化效率,因而在实际应用领域具有更优良的性能。然而在实际的应用当中,Ti O2纳米管光催化剂仍然面临一些不可回避的问题,(1)TiO2的禁带宽度大(锐钛矿相结构和板钛矿相结构的带隙能是3.2eV,金红石相结构的带隙能是3.0eV),所以它仅仅能够吸收和利用太阳光谱中波长小于387.5nm的紫外光部分,对太阳光能的利用率很低;(2)单纯TiO2纳米结构材料在光照下被激发产生的载流子复合率很高,因此其量子效率也比较低。为解决这些问题,使用非金属元素/金属元素的掺杂、表面改性、光敏化以及与其它材料结合形成复合材料等技术手段能够较为有效的拓展TiO2纳米管阵列的吸收光谱和提高量子效率,但是以上方法,大部分都工艺较为复杂并且制备成本昂贵。使用氧化物半导体与TiO2纳米管阵列复合一种提高其光催化效果的有效方法,多种半导体之间的能级交错偶合,会使得光生电子和空穴得到很好的分离,并且拓展吸收光谱,从而提高了光量子效率和催化活性。在本文的研究中,采用恒压电化学阳极氧化法在不同溶液条件下分别制备出TiO2纳米结构,然后使用溶剂热法、浸涂法、电沉积法,用Cu2O、ZnO对TiO2纳米管阵列进行复合,并详细对样品的结构等特征进行表征分析。将制备得到的光催化剂进行不同条件下光催化降解实验,并对结果进行讨论。(1)利用电化学阳极氧化法分别在三种不同的溶液中制备TiO2纳米结构,结果发现在HF的水溶液中,钛片表面生成的是多孔的交联状纳米结构;在NH4F的乙二醇溶液中,钛片表面生成了规则的阵列状TiO2纳米管,而且管的长度可以达到几十微米,但是使用这种方法制备的TiO2纳米管阵列容易从钛基底脱落,不利于进行氧化物的复合和光催化实验;在HF的DMSO溶液中,通过调整实验的时间可以很好地制备出TiO2纳米管阵列,而且管与管之间相互分立,不易于从钛基底上脱落。对制备得到的TiO2纳米管阵列进行退火实验,研究不同温度退火后样品的光催化性能,结果显示550℃退火得到的锐钛矿相TiO2纳米管阵列具有很好地光催化效果。(2)使用溶剂热法通过调整反应物原料、温度和反应时间条件制备Cu2O纳米球,发现当使用硝酸铜的乙二醇溶液可以制备得到纯净的Cu2O纳米球,控制反应时间在4小时至10小时之间可以控制Cu2O纳米球的大小。将生长有TiO2纳米管阵列的钛片竖直放入到制备纯净Cu2O纳米球的溶剂热环境中,可以方便的在TiO2纳米管上生长Cu2O纳米颗粒,而且随着反应时间的延长,Cu2O纳米颗粒呈现增多趋势。对纯净的Cu2O纳米球在可见光条件下进行光催化实验,结果发现其对甲基橙具有良好的降解性能;对Cu2O/TiO2纳米复合结构分别在紫外光和可见光条件下进行光催化降解实验,结果显示Cu2O/TiO2纳米复合结构样品在紫外光下有明显的催化性能提升,在可见光条件下的催化实验也表面修饰后的样品极大的提高了TiO2纳米管阵列的光催化性能。(3)分别使用水热法、浸涂法和电沉积法在TiO2纳米管阵列中生长ZnO,使用水热法所制备得到的样品表面有大量体积较大的颗粒状ZnO,因其不能与TiO2很好结合并且阻挡了水中有机物与TiO2纳米管的充分接触,导致所制备样品的光催化效果出现下降;使用浸涂法制备ZnO/TiO2纳米复合结构可以有效地控制ZnO的尺寸,并且制备得到的样品催化效果较好;使用电沉积法制备ZnO/TiO2纳米复合结构可以通过控制沉积时间的长短方便的控制TiO2纳米管阵列中ZnO的沉积量,光催化实验结果表明沉积时间在30s左右可以获得光催化效果较好的ZnO/TiO2纳米复合结构。
【学位单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB383.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
        1.1.1 纳米材料概述
2纳米材料的基本性质'>        1.1.2 TiO₂纳米材料的基本性质
2纳米管的发展及其制备'>        1.1.3 TiO₂纳米管的发展及其制备
2纳米管阵列的制备及应用'>    1.2 TiO₂纳米管阵列的制备及应用
2纳米管阵列'>        1.2.1 阳极氧化法制备TiO₂纳米管阵列
2纳米管阵列的修饰改性研究'>        1.2.2 TiO₂纳米管阵列的修饰改性研究
2纳米管阵列的应用'>        1.2.3 TiO₂纳米管阵列的应用
    1.3 本研究的主要内容和意义
第二章 实验与表征
    2.1 实验仪器与设备
        2.1.1 实验器材与耗材
        2.1.2 材料制备设备与装置
    2.2 实验所需表征仪器
        2.2.1 X射线衍射（XRD）仪
        2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
        2.2.3 透射电子显微镜（TEM）
        2.2.4 拉曼光谱（Raman-shift）
2纳米管阵列的制备及其光催化性质'>第三章 TiO₂纳米管阵列的制备及其光催化性质
    3.1 主要实验药品
    3.2 样品制备
    3.3 样品表征分析
        3.3.1 水溶液体系制备样品的表征分析
        3.3.2 乙二醇溶液体系制备样品的表征分析
        3.3.3 二甲基亚砜溶液体系制备样品的表征分析
2纳米管阵列的光催化性质研究'>    3.4 TiO₂纳米管阵列的光催化性质研究
2的光催化原理'>        3.4.1 TiO₂的光催化原理
        3.4.2 实验装置及实验过程
2的光催化实验结果分析'>        3.4.3 TiO₂的光催化实验结果分析
    3.5 本章小结
2O修饰Ti O2纳米管阵列的制备及其光催化'>第四章 Cu₂O修饰Ti O2纳米管阵列的制备及其光催化
    4.1 主要实验药品
    4.2 样品制备
    4.3 样品表征分析
2O的表征分析'>        4.3.1 醋酸铜乙二醇溶液制备Cu₂O的表征分析
2O的表征分析'>        4.3.2 硝酸铜乙二醇溶液制备Cu₂O的表征分析
2O/TiO₂复合纳米结构的表征分析'>        4.3.3 Cu₂O/TiO₂复合纳米结构的表征分析
2O 和 Cu₂O/TiO₂的光催化性质研究'>    4.4 Cu₂O 和 Cu₂O/TiO₂的光催化性质研究
2O/TiO₂的光催化原理'>        4.4.1 Cu₂O/TiO₂的光催化原理
2O和Cu₂O/TiO₂的光催化结果分析'>        4.4.2 Cu₂O和Cu₂O/TiO₂的光催化结果分析
    4.5 本章小结
2纳米管阵列的制备及其光催化'>第五章 ZnO修饰TiO₂纳米管阵列的制备及其光催化
    5.1 主要实验药品
    5.2 样品制备
    5.3 样品表征分析
2的表征分析'>        5.3.1 水热法制备ZnO/TiO₂的表征分析
2的表征分析'>        5.3.2 浸涂法制备ZnO/TiO₂的表征分析
2的表征分析'>        5.3.3 电沉积法制备ZnO/TiO₂的表征分析
2的光催化性质研究'>    5.4 ZnO/TiO₂的光催化性质研究
2的光催化原理'>        5.4.1 ZnO/TiO₂的光催化原理
2的光催化结果分析'>        5.4.2 ZnO/TiO₂的光催化结果分析
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
参考文献
致谢
附录

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本文编号：2869784