多孔黑二氧化钛及其复合体的制备与光催化性能研究

发布时间：2017-08-06 11:30

  本文关键词：多孔黑二氧化钛及其复合体的制备与光催化性能研究

  更多相关文章： 多孔材料 黑二氧化钛 复合体 光催化 光电性能

【摘要】：多孔二氧化钛因具有大的比表面积、开放的孔道、高的孔隙率和窄的孔径分布等独特的结构特征,能够有效增加光在孔道内的反射和折射,利于反应物与催化剂之间的相互接触与扩散,并且可以提高光生电子-空穴分离效率和迁移能力,缩短其迁移到表面的相对距离,从而实现更多的活性位点参与光催化反应,因而在光催化领域有广泛的应用。然而传统的二氧化钛带隙较宽,只能吸收紫外光,对太阳光的利用率较低。此外,单组分二氧化钛的光生电荷分离效率仍然较低,如何进一步提高其电荷分离效率进而提高太阳光催化性能仍是巨大挑战!基于此,本文采用表面氢化策略构筑了各种结构的多孔黑二氧化钛纳米材料,对其带隙进行了调控,使其光吸收范围拓展到可见光区,其多孔骨架中形成的低价钛促进了光生电荷的分离,显著提高了太阳光催化性能。同时将其作为宿主,在其孔道内复合纳米银,利用贵金属银的表面等离子体共振效应进一步提高了可见光催化性能。本论文主要探讨不同结构的多孔黑二氧化钛及其复合体的制备及与光催化性能之间的关系,主要分为以下几个部分:1)采用廉价的多孔生物模板浸渍方法结合小分子胺包覆策略,通过高温氢气还原合成介孔黑锐钛矿相TiO_2纳米片,小分子胺的包覆可以有效保护其介孔骨架并抑制锐钛矿向金红石相的转变,介孔黑锐钛矿相TiO_2纳米片具有较高的比表面积(74 m2·g~(-1))和窄的带隙能(2.85 eV),拓展光吸收范围到可见光区,并且其光催化产氢量(165μmol·h~(-1)·0.05 g~(-1))是介孔锐钛矿相Ti O_2纳米片的两倍,这归因于表面无定型层、骨架中的Ti~(3+)和高晶化度超薄片层的协同效应。2)采用原位氮掺杂和自组装的方法结合常压高温氢化策略合成氮掺杂多孔黑二氧化钛纳米片组装成的三维花状纳米结构,三聚氰胺既提供原位氮掺杂的氮源又起到结构导向的双重作用,相对于传统的TiO_2纳米粒子,多孔纳米片组成的花状结构更利于H2的扩散,成功引入的Ti~(3+)使得带隙变窄,在模拟太阳光下其光催化产氢量(1500μmol·g~(-1)·h~(-1))约为未氢化样品的两倍(690μmol·g~(-1)·h~(-1)),光催化产氢性能提高是因为其Ti~(3+)的引入在表面形成更多活性位点提高了可见光吸收并加速了光生电子空穴分离和迁移能力。3)利用聚丙烯酰胺对小粒子的粘合和絮凝作用,辅助冷冻干燥和高压铸造技术,结合高温氢气还原策略,成功合成了闭合孔结构且具有漂浮能力的无载体黑TiO_2纳米片,不仅提高了与有机物接触的活性面积,而且利用光在孔道内的多次折射提高了光利用率,降低了光在介质中的能耗,所得的漂浮型黑TiO_2纳米片有效地提高了光吸收和电子-空穴分离能力,在可见光驱动、模拟自然生态环境下对漂浮在水面上的有机污染物(十六烷)光降解率达到98.2%,同时对水中溶解的高毒性有机污染物也具有良好的光催化降解性能。4)采用湿浸渍高温氢气还原策略合成了负载银的漂浮型多孔黑TiO_2纳米片,基于纳米银的表面等离子共振效应和Ti~(3+)的协同效应,拓展其光吸收从紫外光到可见光区,负载量为3%的复合体在模拟太阳光驱动下,对持久性有机污染物灭草丹的光催化降解率达到97.1%,光催化能力得到进一步提高,这种新颖的无载体漂浮型太阳光催化材料在环境领域具有良好的应用前景。
【关键词】：多孔材料 黑二氧化钛 复合体 光催化 光电性能
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TB33
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-32
• 1.1 引言11-12
• 1.2 多孔TiO_2简介12-18
• 1.2.1 多孔TiO_2材料特征12
• 1.2.2 多孔TiO_2材料制备方法12-13
• 1.2.3 多孔TiO_2材料光催化机理13-14
• 1.2.4 多孔TiO_2材料应用14-18
• 1.3 黑TiO_2概况18-25
• 1.3.1 黑TiO_2纳米材料特征18-19
• 1.3.2 黑TiO_2纳米材料的制备方法19-23
• 1.3.3 黑TiO_2纳米材料的应用23-25
• 1.4 多孔TiO_2复合体概况25-30
• 1.4.1 多孔TiO_2复合体材料简介25-27
• 1.4.2 多孔TiO_2复合体材料制备方法27-29
• 1.4.3 多孔TiO_2复合体材料光生载流子转移机制29-30
• 1.5 本课题的立题依据及意义30-32
• 第2章 实验材料与表征方法32-39
• 2.1 实验试剂32-34
• 2.1.1 实验试剂和原料32-33
• 2.1.2 实验所用设备及器材33-34
• 2.2 材料表征34-39
• 2.2.1 X射线衍射34
• 2.2.2 扫描电子显微镜34
• 2.2.3 透射电子显微镜34-35
• 2.2.4 X射线电子能谱35
• 2.2.5 原子力显微镜35
• 2.2.6 扫描开尔文探针35-36
• 2.2.7 拉曼光谱36
• 2.2.8 氮气吸附-脱附36
• 2.2.9 光解水产氢测试36-37
• 2.2.10 电化学测试37-38
• 2.2.11 紫外漫反射38-39
• 第3章 生物模板法制备介孔黑TiO_2纳米片及光催化性能研究39-51
• 3.1 引言39-40
• 3.2 实验部分40-41
• 3.2.1 介孔黑TiO_2纳米片的制备40
• 3.2.2 介孔黑TiO_2纳米片性能测试40-41
• 3.3 结果与讨论41-50
• 3.3.1 介孔黑TiO_2纳米片的结构表征41-48
• 3.3.2 介孔黑TiO_2纳米片的光催化产氢性能研究48-49
• 3.3.3 介孔黑TiO_2纳米片的光电化学性能研究49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构的制备及光催化性能研究51-61
• 4.1 引言51
• 4.2 实验部分51-52
• 4.2.1 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构的制备51-52
• 4.2.2 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构性能测试52
• 4.3 结果与讨论52-59
• 4.3.1 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构的结构表征52-57
• 4.3.2 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构的光催化产氢性能研究57-58
• 4.3.3 氮掺杂花状多孔黑TiO_2纳米结构的光电化学性能研究58-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 无载体漂浮型大孔-介孔黑TiO_2的制备及光催化性能研究61-70
• 5.1 引言61-62
• 5.2 实验部分62-63
• 5.2.1 无载体漂浮型大孔-介孔黑TiO_2的制备62
• 5.2.2 无载体漂浮型大孔-介孔黑TiO_2性能测试62-63
• 5.3 结果与讨论63-69
• 5.3.1 无载体漂浮型大孔-介孔黑TiO_2的结构表征63-68
• 5.3.2 无载体漂浮型大孔-介孔黑TiO_2的光催化性能研究68-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第6章 漂浮型多孔黑TiO_2-Ag复合体的制备及光催化性能研究70-79
• 6.1 引言70-71
• 6.2 实验部分71-72
• 6.2.1 漂浮型多孔黑TiO_2-Ag复合体的制备71
• 6.2.2 漂浮型多孔黑TiO_2-Ag复合体性能测试71-72
• 6.3 结果与讨论72-78
• 6.3.1 漂浮型多孔黑TiO_2-Ag复合体的结构表征72-77
• 6.3.2 漂浮型多孔黑TiO_2-Ag复合体的光催化性能研究77-78
• 6.4 本章小结78-79
• 结论79-80
• 参考文献80-92
• 致谢92-93
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文93-94

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;日本市场二氧化钛供不应求[J];氯碱工业;2000年10期

2 ;英成功从二氧化钛直接提取钛[J];氯碱工业;2000年12期

3 ;2000年世界二氧化钛供应趋紧[J];天津化工;2000年02期

4 ;二氧化钛的制备[J];无机盐工业;2001年01期

5 吴永庆;二氧化钛的制造[J];化学世界;1956年12期

6 丁宝桐;;日本二氧化钛提价[J];无机盐工业;1983年03期

7 丁宝桐;我国急于想进口二氧化钛[J];无机盐工业;1985年03期

8 张焕臻;泰国将建成一座二氧化钛厂[J];有色冶炼;1986年06期

9 陆山南;;世界二氧化钛的生产厂家简介[J];中国涂料;1987年03期

10 ;黑色氧化钛粉末的制备[J];无机盐工业;1995年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 王乐飞;杨志宁;张昭;;超声洗涤水合二氧化钛的研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年

2 林海;胡永平;;超细非金属矿物颗粒表面包覆二氧化钛膜的机理[A];中国颗粒学会2002年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会会议论文集[C];2002年

3 姚礼峰;邓江峰;沈强;张联盟;;厚度可控的二氧化钛中空微球的制备[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集（上册）[C];2006年

4 王艳丽;王佳;卢琼;陈欣欣;张海娇;焦正;;纳米二氧化钛的表面荧光修饰及应用[A];中国化学会第26届学术年会化学生物分会场论文集[C];2008年

5 孙庆文;林原;;快速制备具有颗粒填充的二氧化钛管阵列应用于高效染料敏化太阳能电池[A];第十三届全国太阳能光化学与光催化学术会议学术论文集[C];2012年

6 雷万华;王雪松;张宝文;;抗坏血酸表面修饰的二氧化钛纳米颗粒的光动力活性研究[A];中国化学会第27届学术年会第12分会场摘要集[C];2010年

7 张学军;张雅心;莫瑶;;介孔碳/二氧化钛复合材料的制备[A];第22届炭—石墨材料学术会论文集[C];2010年

8 王远;刘卫军;谢峥;桂琳琳;唐有祺;;光诱导超亲水性氧化钛复合膜的研究[A];2000'全国光催化学术会议论文集[C];2000年

9 马跃东;;晶型、粒径及复合比例可控的纳米二氧化钛制备技术及应用[A];建设小康与高技术产业化——中国科协2003年学术年会第35分会场论文集[C];2003年

10 黄朝章;崔超;李佳;胡斌;;新型氧化钛中空膜的合成、表征及其在痕量元素分析中的应用[A];中国化学会第26届学术年会分析化学分会场论文集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 张海波;日本市场二氧化钛供不应求[N];中国化工报;2000年

2 文欣;世界二氧化钛市场恢复性增长[N];中国化工报;2003年

3 肖化;全球二氧化钛市场需求强劲[N];中国化工报;2004年

4 ;2004年二氧化钛市场将出现强劲反弹[N];中国石油报;2003年

5 飘尘;2006年世界二氧化钛需求平稳[N];中国有色金属报;2006年

6 李港;全球二氧化钛货紧价升[N];国际商报;2003年

7 中塑;亚洲塑料用二氧化钛需求增长最快[N];国际商报;2003年

8 张海波;日本拟提高氧化钛出口价格[N];国际经贸消息;2002年

9 饶兴鹤;全球二氧化钛市场炙手可热[N];中国化工报;2006年

10 王军;全球二氧化钛市场需求年增速2%-3%[N];广东建设报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 华浩;基于二氧化钛团聚球的异质结纳米材料的合成及催化研究[D];重庆大学;2015年

2 蔡宁宁;氧化钛纤维的制备及其负载微纳米晶的研究[D];山东大学;2015年

3 张晓凡;TiO_2基纳米材料的制备及其光电催化性能的研究[D];华中科技大学;2015年

4 刘旭;单分散性二氧化钛纳米粒子的制备、组装及性质研究[D];吉林大学;2016年

5 李亚斌;沙柳纤维素/二氧化钛复合材料的制备及性能研究[D];内蒙古农业大学;2015年

6 邹晓新;多孔二氧化钛材料的制备、微结构调控及性能研究[D];吉林大学;2011年

7 王万丽;氮氧化钛制备及其在氧电极中应用研究[D];上海交通大学;2012年

8 和东亮;掺杂改性的二氧化钛纳米材料的光催化性能研究[D];吉林大学;2008年

9 罗燕;基于天然纤维素物质的二氧化钛纳米复合材料的制备及性质研究[D];浙江大学;2015年

10 杨颖;工业钛液制备铁掺杂硫酸化多孔二氧化钛及其机理研究[D];成都理工大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 贺天成;纳米二氧化钛复合材料的制备及其性能研究[D];燕山大学;2015年

2 刘大伟;二氧化钛包覆云母氧化铁颜料的制备及其性能研究[D];中国地质大学(北京);2015年

3 邓琴;氟改性纳米二氧化钛的制备及光催化性能研究[D];四川农业大学;2015年

4 尤会敏;酞菁敏化二氧化钛的制备及其光催化性能研究[D];浙江理工大学;2016年

5 肖秋实;空心镍锌铁氧体/二氧化钛/聚苯胺复合物的设计构筑及其对染料废水的处理[D];浙江师范大学;2013年

6 王瑶;银掺杂多孔二氧化钛的制备、表征和光催化性能的研究[D];中北大学;2016年

7 朱亚娟;氧化纤维素负载敏化二氧化钛的制备与性能研究[D];浙江理工大学;2016年

8 李明明;介孔纳米二氧化钛的制备及其光催化活性[D];遵义医学院;2016年

9 陈仕强;一维二氧化钛纳米材料的制备、改性及性能研究[D];湖北工业大学;2016年

10 张乐;二氧化钛包覆钯中空磁性纳米催化剂的制备及应用[D];兰州大学;2016年

，

本文编号：629700