TiO_2纳米结构、复合及其光催化性能研究

发布时间：2017-06-24 17:06

  本文关键词：TiO_2纳米结构、复合及其光催化性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：二氧化钛因其具有化学性质稳定、抗光腐蚀、无毒和低成本等特点，在利用太阳能的光伏电池、光催化分解水、光催化降解有机物等方面有广泛的应用和科学研究价值。然而，TiO2是宽带隙半导体，只能吸收有限紫外光，且光生电子-空穴对容易复合，光量子效率低，限制了其在光电催化领域的应用。因此，针对二氧化钛光量子效率偏低和光响应范围较窄的问题，本文主要通过合成不同二氧化钛纳米结构、对其进行微结构调控、Ti3+自掺杂改性、贵金属和半导体复合等途径，拓展二氧化钛可见光响应、增强其光催化活性，并进一步对光催化活性机理进行分析，为设计、开发高效纳米光催化剂提供借鉴与参考。 以钛酸四丁酯（TBOT）与三氯化钛（TiCl3）为钛源，通过溶剂热反应制备了7nm左右的锐钛矿TiO2纳米颗粒。通过改变不同钛源，实现了Ti3+的自掺杂，Ti3+的存在不仅提高了TiO2的可见光响应，并且作为电子捕获剂提高界面电子转移速率，使光催化效率得到增强。通过优化不同钛源的比例，得到TBOT与TiCl3为3:2配比合成的TiO2光催化效率最好。在此基础上进一步进行窄带隙CdS的复合得到CdS/TiO2复合纳米颗粒。这种复合结构不仅提高可见光响应能力，并且促使表面电荷快速分离，系统地考察了CdS的复合量对光催化效果的影响。结果表明复合量为8%时催化降解速度最优，为纯TiO2的1.5倍。 采用低成本的液相法制备出大量厚度约为5nm左右的二维TiO2超薄片，并系统研究了退火温度对TiO2超薄片晶体结晶度和光催化产氢性能的影响。结果表明随着退火温度的提高TiO2超薄片结晶度增加，然而光催化产氢性能却显著下降。通过电子顺磁共振分析得知对于未退火TiO2超薄片光诱导可以产生大量表面Ti3+，而退火后的样品表面Ti3+则大大减弱，从而导致其光催化产氢性能却显著下降。在对CdSe量子点尺寸、吸收峰和荧光峰精确调控的基础上，我们进一步将TiO2超薄片与CdSe半导体量子点进行复合。结果表明太阳光辐照下，复合窄带CdSe半导体量子点后其光催化产氢速率有显著的提升。表观量子效率及电子顺磁共振分析结果表明CdSe的复合，使得可见光激发CdSe产生的光生电子可以转移到TiO2生成表面Ti3+并参与表面反应，从而极大的促进了其催化效率。我们进一步通过电子顺磁共振研究了TiO2超薄片与CdSe量子点复合样品光催化产氢的催化机理，结果表明表面Ti3+对于H自由基产生具有高的催化活性，然而由于Pt对H自由基的吸附能高于TiO2，，因而Pt则对H2产生具有更高的催化活性。 通过高温油相方法合成出暴露{001}活性面的单一锐钛矿相TiO2纳米晶。通过调控表面活性剂的种类和比例可以调控暴露{001}活性面的程度，从而得到菱形与方形两种形貌TiO2纳米晶。并将上述暴露{001}面的TiO2纳米晶与贵金属纳米晶进行复合，通过改变前驱体浓度、反应温度、表面处理方式制备出了不同尺寸的贵金属纳米晶，并实现了贵金属TiO2纳米晶的异质复合。通过将暴露高活性面的TiO2纳米晶与具有表面等离激元的贵金属纳米晶复合有望提高TiO2光催剂的效率。
【关键词】：二氧化钛 纳米结构 半导体复合 超薄片 表面Ti3+缺陷 光催化
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O614.411;O643.36
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 纳米 TiO_2光催化材料13-15
• 1.2.1 TiO_2的晶体结构13-14
• 1.2.2 TiO_2的光催化机理14-15
• 1.2.3 TiO_2纳米结构调控研究15
• 1.3 提高二氧化钛光催化活性的有效途径15-19
• 1.3.1 微结构调控16-17
• 1.3.2 可见光拓展 TiO_217-19
• 1.4 本论文的主要工作19-22
• 第2章 二氧化钛纳米粒子的合成、复合及光催化性能研究22-34
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验材料、样品表征及性能测试23-25
• 2.2.1 实验材料23
• 2.2.2 样品表征23-25
• 2.2.3 光催化降解甲基蓝性能测试25
• 2.3 TiO_2纳米粒子的水相合成及其光催化性能研究25-29
• 2.3.1 Ti~(3+)自掺杂 TiO_2纳米粒子的可控制备25-26
• 2.3.2 TiO_2纳米粒子的光催化降解活性26
• 2.3.3 Ti~(3+)自掺杂 TiO_2纳米粒子的表征26-29
• 2.4 CdS/TiO_2复合纳米粒子的合成及光催化性能研究29-33
• 2.4.1 CdS/TiO_2复合纳米粒子的制备29
• 2.4.2 CdS/TiO_2复合纳米粒子的光催化降解活性研究29-30
• 2.4.3 CdS/TiO_2复合纳米粒子的表征30-32
• 2.4.4 CdS/TiO_2复合纳米粒子的光催化性能评价32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 二氧化钛纳米超薄片合成、复合及光催化性能表征34-52
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验材料、样品表征及性能测试35-37
• 3.2.1 实验材料35-36
• 3.2.2 样品表征36-37
• 3.2.3 性能测试37
• 3.3 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的液相合成37-39
• 3.3.1 TiO_2纳米超薄片的合成37
• 3.3.2 含 MPA 的 CdX/TiO_2（X=S、Se）复合纳米超薄片的制备37-38
• 3.3.3 不含巯基丙酸（MPA）的 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的制备38-39
• 3.4 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的表征39-48
• 3.4.1 TiO_2超薄片的表征39-40
• 3.4.2 CdSe 量子点的调控与表征40-42
• 3.4.3 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的表征42-43
• 3.4.4 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的光催化性能评价43-48
• 3.5 CdSe/TiO_2复合纳米超薄片的光催化机理分析48-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第4章 晶面可控二氧化钛纳米晶合成及贵金属复合52-68
• 4.1 引言52-53
• 4.2 实验材料及样品表征53-54
• 4.2.1 实验材料53-54
• 4.2.2 样品表征54
• 4.3 高活性面 TiO_2的油相合成及表征54-57
• 4.3.1 菱形 TiO_2纳米晶的制备54-55
• 4.3.2 高活性面 TiO_2的表征55-57
• 4.4 贵金属/菱形 TiO_2纳米晶的复合调控57-63
• 4.4.1 Au/菱形 TiO_2纳米晶的复合调控57-59
• 4.4.2 Ag/菱形 TiO_2纳米晶的复合调控59-61
• 4.4.3 Au/Ag/菱形 TiO_2纳米晶的复合调控61-63
• 4.5 Au/方形 TiO_2纳米片的复合调控63-66
• 4.5.1 实验部分63
• 4.5.2 结果与讨论63-66
• 4.6 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-78
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单78-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 霍爱群,谭欣,丛培君,马春有;纳米TiO_(2-x)光催化膜中的缺陷结构与性能关系初探[J];化学通报;1998年11期

2 刘只欣;于迎春;刘建军;左胜利;;AgBr/TiO_2异质结型复合可见光催化剂的制备及其光催化活性[J];化学研究;2010年03期

3 范崇政,肖建平,丁延伟;纳米TiO_2的制备与光催化反应研究进展[J];科学通报;2001年04期

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本文编号：478856