二氧化钛半导体光催化剂的制备、改性及其光催化性能研究
发布时间：2021-06-20 17:23
随着人们对环境保护和清洁能源开发越来越重视,污水处理问题成了当今治理环境的重大问题之一。光催化技术在治理环境污染领域应用前景广阔,且因该技术高效节能环保被广泛关注。第一代半导体光催化剂二氧化钛,因安全无毒、高稳定性、低成本和强氧化能力而被认为是最具前景的光催化剂。但由于二氧化钛对太阳光利用率低、光生载流子易复合,致使其光催化活性低,这些局限性的存在限制了二氧化钛在能源和环境领域的广泛应用。本文通过表面活性剂（聚乙二醇）、离子掺杂（氮掺杂）和形貌调控剂（氢氧化钾）改性处理二氧化钛,以达到提高其光催化性能的目的。通过单因素实验探究各工艺参数对二氧化钛光催化性能的影响,确定了最佳工艺参数,并对改性处理的二氧化钛进行了机理分析。具体工作如下:（1）以钛酸四丁酯为钛源,聚乙二醇（分子量为4000和10000）为表面活性剂,无水乙醇为溶剂,冰醋酸为抑制剂,通过溶胶-溶剂热法结合煅烧处理制备聚乙二醇修饰的二氧化钛。对比分析聚乙二醇（分子量为4000和10000）修饰的二氧化钛和未加入聚乙二醇的二氧化钛（纯二氧化钛）,在晶粒尺寸、比表面积、形貌、光催化性能等方面的差异。通过单因素实验探究了不同分子量的...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiO2的四种晶体结构单元
第1章绪论3数量非常有限[15-22]，这可能是迄今为止板钛矿型TiO2在光催化领域未引起人们对其产生兴趣的原因。研究发现青铜矿型TiO2的光电活性和比表面积要高于锐钛矿型和金红石型TiO2，因此其可能用作锂离子电池的负极材料[23-24]。TiO2是多晶型结构，不同的晶型有不同的性能优势，所以在实际应用中，应根据不同的需求选择不同晶型的TiO2。1.3二氧化钛的制备方法1.3.1液相法常见的TiO2液相合成法包括水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。水热法通常在不锈钢容器中进行，是最常用于一维纳米结构精细加工的方法。在高温（高于水的沸点）下，材料从水溶液中生长，从而产生高压力，试剂与待注入的前驱体在溶剂中混合，加速了前驱体的溶解并且增加了前驱体与试剂之间的反应速率。水热法具备很多优势，比如成本和能耗低、设备简单、化学均质性和分散性高。田等人[25]通过水热法制备出了不同的一维纳米结构的TiO2，包括纳米管[26]、纳米棒[27]、纳米带[28]以及纳米线[29]，如图1.2所示。图1.2水热法合成不同形态的一维TiO2纳米结构：TiO2纳米管（a，b），TiO2纳米棒（c，d），TiO2纳米带（e，f），TiO2纳米线（g，h）[25-29]Fig.1.2Differentmorphologytypesof1DTiO2nanostructuressynthesizedbyhydrothermalmethods:TiO2nanotubes(a,b),TiO2nanorods(c,d),TiO2nanobelts(e,f),TiO2nanowires(g,h)[25-29]溶剂热法与水热法相似，唯一不同的是水热法的溶剂为水，溶剂热法的溶剂为有机溶剂。溶剂热合成法是在高温高压下从高压釜中的非水溶液中生长单晶的方法。通
第1章绪论5气相沉积（PECVD）的锐钛矿型TiO2薄膜的沉积速率比低压化学气相沉积（LPCVD）的高三倍。原子层沉积（ALD）是超薄层的气相沉积方法，基于气相中两个绝对分离的自限反应而发生。这两个自限反应需要在一个包含四个循环步骤的反应中进行，如图1.3所示。这四个反应步骤如下：步骤（1）将第一前体引入沉积室与衬底表面反应形成化学吸附层和物理吸附层；步骤（2）为消除物理吸附层和反应副产物；步骤（3）引入第二前体与第一前体和基材发生化学反应，与步骤1一样，形成化学吸附层和物理吸附层；步骤（4）吹扫以消除反应的物理吸附层和副产物。在光催化领域，通过原子层沉积工艺已经制备出多种纳米结构的TiO2基材料，比如ZnO-TiO2核-壳结构[40]、Pt-TiO2纳米粒子[41]、Zn2TiO4纳米线[42]等。图1.3原子层沉积的生长过程[43]Fig.1.3GrowthprocessofALD[43]1.4二氧化钛的改性处理虽然TiO2是众多半导体光催化剂中使用较多的材料，但是TiO2的禁带宽度较大（理论上锐钛矿3.2eV，金红石3.0eV），导致其对太阳光的利用率较低（约5%）且对紫外光较敏感；另一方面光生电子和空穴易复合，量子效率低；这些存在的局限性限制了TiO2在光催化领域的广泛应用。针对此难题，研究人员们尝试对TiO2进行改性处理，通过抑制光生电子和空穴的复合、拓宽光响应范围至可见光区域以达到提高TiO2的光催化性能的目的。常见的TiO2改性方法包括离子掺杂、形貌调控、半导体复合及
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国水资源利用与水环境保护研究的若干问题[J]. 匡耀求,黄宁生. 中国人口.资源与环境. 2013(04)
[2]溶胶-凝胶法制备TiO2-Al2O3复合光催化剂及其表征[J]. 张文杰,李汝愿,杨波. 功能材料. 2011(S5)
[3]溶胶-凝胶制备工艺对纳米TiO2光催化活性的影响[J]. 陈曦,陈孝云,郭成,王海亮,刘守新. 科学技术与工程. 2006(18)
[4]分散剂在醇-水溶液加热法制备球形ZrO2粉体过程中的作用[J]. 李蔚,王浚,高濂. 硅酸盐学报. 2000(06)
博士论文
[1]制浆造纸废水的生物强化处理及废弃物发酵生物沼气的研究[D]. 陈洪雷.华南理工大学 2011
本文编号：3239618
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
TiO2的四种晶体结构单元
第1章绪论3数量非常有限[15-22]，这可能是迄今为止板钛矿型TiO2在光催化领域未引起人们对其产生兴趣的原因。研究发现青铜矿型TiO2的光电活性和比表面积要高于锐钛矿型和金红石型TiO2，因此其可能用作锂离子电池的负极材料[23-24]。TiO2是多晶型结构，不同的晶型有不同的性能优势，所以在实际应用中，应根据不同的需求选择不同晶型的TiO2。1.3二氧化钛的制备方法1.3.1液相法常见的TiO2液相合成法包括水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。水热法通常在不锈钢容器中进行，是最常用于一维纳米结构精细加工的方法。在高温（高于水的沸点）下，材料从水溶液中生长，从而产生高压力，试剂与待注入的前驱体在溶剂中混合，加速了前驱体的溶解并且增加了前驱体与试剂之间的反应速率。水热法具备很多优势，比如成本和能耗低、设备简单、化学均质性和分散性高。田等人[25]通过水热法制备出了不同的一维纳米结构的TiO2，包括纳米管[26]、纳米棒[27]、纳米带[28]以及纳米线[29]，如图1.2所示。图1.2水热法合成不同形态的一维TiO2纳米结构：TiO2纳米管（a，b），TiO2纳米棒（c，d），TiO2纳米带（e，f），TiO2纳米线（g，h）[25-29]Fig.1.2Differentmorphologytypesof1DTiO2nanostructuressynthesizedbyhydrothermalmethods:TiO2nanotubes(a,b),TiO2nanorods(c,d),TiO2nanobelts(e,f),TiO2nanowires(g,h)[25-29]溶剂热法与水热法相似，唯一不同的是水热法的溶剂为水，溶剂热法的溶剂为有机溶剂。溶剂热合成法是在高温高压下从高压釜中的非水溶液中生长单晶的方法。通
第1章绪论5气相沉积（PECVD）的锐钛矿型TiO2薄膜的沉积速率比低压化学气相沉积（LPCVD）的高三倍。原子层沉积（ALD）是超薄层的气相沉积方法，基于气相中两个绝对分离的自限反应而发生。这两个自限反应需要在一个包含四个循环步骤的反应中进行，如图1.3所示。这四个反应步骤如下：步骤（1）将第一前体引入沉积室与衬底表面反应形成化学吸附层和物理吸附层；步骤（2）为消除物理吸附层和反应副产物；步骤（3）引入第二前体与第一前体和基材发生化学反应，与步骤1一样，形成化学吸附层和物理吸附层；步骤（4）吹扫以消除反应的物理吸附层和副产物。在光催化领域，通过原子层沉积工艺已经制备出多种纳米结构的TiO2基材料，比如ZnO-TiO2核-壳结构[40]、Pt-TiO2纳米粒子[41]、Zn2TiO4纳米线[42]等。图1.3原子层沉积的生长过程[43]Fig.1.3GrowthprocessofALD[43]1.4二氧化钛的改性处理虽然TiO2是众多半导体光催化剂中使用较多的材料，但是TiO2的禁带宽度较大（理论上锐钛矿3.2eV，金红石3.0eV），导致其对太阳光的利用率较低（约5%）且对紫外光较敏感；另一方面光生电子和空穴易复合，量子效率低；这些存在的局限性限制了TiO2在光催化领域的广泛应用。针对此难题，研究人员们尝试对TiO2进行改性处理，通过抑制光生电子和空穴的复合、拓宽光响应范围至可见光区域以达到提高TiO2的光催化性能的目的。常见的TiO2改性方法包括离子掺杂、形貌调控、半导体复合及
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国水资源利用与水环境保护研究的若干问题[J]. 匡耀求,黄宁生. 中国人口.资源与环境. 2013(04)
[2]溶胶-凝胶法制备TiO2-Al2O3复合光催化剂及其表征[J]. 张文杰,李汝愿,杨波. 功能材料. 2011(S5)
[3]溶胶-凝胶制备工艺对纳米TiO2光催化活性的影响[J]. 陈曦,陈孝云,郭成,王海亮,刘守新. 科学技术与工程. 2006(18)
[4]分散剂在醇-水溶液加热法制备球形ZrO2粉体过程中的作用[J]. 李蔚,王浚,高濂. 硅酸盐学报. 2000(06)
博士论文
[1]制浆造纸废水的生物强化处理及废弃物发酵生物沼气的研究[D]. 陈洪雷.华南理工大学 2011
本文编号：3239618
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教材专著
