二氧化钛超细纳米带晶相调控及其表面异质结构光催化性能的研究

发布时间：2017-08-25 19:12

  本文关键词：二氧化钛超细纳米带晶相调控及其表面异质结构光催化性能的研究

  更多相关文章： 双晶相光催化剂 U-TiO_2纳米带 PdO/U-TiO_2纳米带 异质结构 光催化活性

【摘要】：二氧化钛是一种具有优异性能的金属半导体,因其独特的性质,在环境保护领域具有广泛的应用前景,如光催化降解水中有机污染物、光催化产氢和光催化净化空气等。Ti02纳米带因其独特的结构,电子可沿其长轴方向快速传递,因而具有具有电子传输快的优点,且沉降性能好和容易作为载体与其他纳米材料复合被广泛研究,但目前常见的Ti02纳米带有几个缺点限制了其应用,一是其一般为单相锐钛矿结构导致的光生载流子容易复合,二是尺寸过大,表面积小,光吸收能力差,三是二氧化钛的宽禁带特性,使得其光的吸收谱带仅仅集中于可见区。为了克服Ti02纳米带的解决上述缺陷,本文提出制备超细纳米带,并通过晶相调控以及表面组装具有可见光催化作用的第二相,实现高效宽谱光催化剂。本文的主要内容是在通过溶剂热法制备具有大量光催化活性暴露面的超细Ti02纳米带,在此基础上制备了Ti02纳米异质结构并对样品的光催化性能进行了研究。本论文的主要内容如下：1.以钛酸四丁酯为钛源,醋酸/N,N二甲基甲酰胺(DMF)为有机溶剂,通过调控有机溶剂的体积比,采用一步溶剂热法成功合成了锐钛矿-金红石双相超细二氧化钛(U-TiO2)纳米带。对U-TiO2纳米带的XRD图谱进行精修,结果显示所合成的U-TiO2纳米带中锐钛矿和金红石所占的质量分数分别为90.8 wt%和9.2wt%。扫描电镜和透射电镜图片显示U-TiO2纳米带的长度约为200-300 nm,宽度为10-20 nm,厚度在5 nm以下,其主要的暴露面是具有较好紫外光催化效果的锐钛矿晶面(010),具有大的比表面积,约为98.5 m2·g-1,且自沉降性能更好。分别对商业二氧化钛P25、碱式水热法制备的二氧化钛(H-TiO2)纳米带和U-TiO2纳米带在紫外光下进行了光催化测试,发现：H-TiO2纳米带光催化性能最差,U-TiO2纳米带光催化性能优于P25。超细纳米带的优异的光催化性能主要来自于其大的比表面积和高活性暴露面引起的对光的有效吸收和转化效率的提高,以及存在的双晶相引起的光生载流子的有效分离。2.以U-TiO2纳米带基质,通过光还原法在常温下制备了等质量分数的四种贵金属/U-TiO2纳米带异质结构,分别为Au/U-TiO2,Ag/U-TiO2,Pt/U-TiO2,Pd/U-TiO2,Au、Pt和Pd纳米颗粒平均尺寸在5 nm以下,Ag纳米颗粒的直径为10-20nm。通过光谱性能测试显示,四种贵金属/U-TiO2纳米带异质结构的光响应范围均有所提高。光催化产氢测试结果显示,Pd/TiO2具有最好的产氢效果,产氢速率约为1487 μmol·h-1·g-1,最差的为Ag/U-TiO2,可能与Ag纳米颗粒尺寸大,催化活性位点低有关。3.以U-TiO2纳米带基质,通过化学沉淀法在常温下制备了具有不同PdO质量分数(1 wt%、2 wt%、3 wt%和4 wt%)的PdO/U-TiO2纳米带异质结构。透射电镜图片显示,PdO纳米颗粒在U-TiO2纳米带表面分布均匀,平均尺寸仅为1.34nm。与单纯的U-TiO2纳米带相比,所制备的催化剂对甲基橙(提高2倍)、罗丹明B和2,4-二氯苯酚具有优异的紫外光催化降解性能、模拟太阳光下优异的产氢性能(提高60倍)和显著的光电化学性能。异质结构的突出的光催化性能来源于PdO/U-TiO2纳米带异质结构的能带匹配引起的载流子分离以及PdO本身的可见光催化与TiO2超细纳米带的紫外光催化的协同作用。4.以U-TiO2纳米带基质,以四硫代钼酸铵为钼源,采用水热法成功制备出了MoS2纳米片及MOS2/U-TiO2纳米带异质结构。MoS2以U-TiO2纳米带为核心,以几层片状形式包覆于U-TiO2纳米带表面形成复合结构且依然保持带状结构。对MoS2/U-TiO2纳米带进行光催化性能分析,结果表明,与MoS2纳米片和U-TiO2纳米带相比,此异质结构在紫外光及可见光下光催化降解罗丹明B的活性均有所提高。这是由于MoS2与U-TiO2的能带匹配,MoS2与U-TiO2的复合拓宽了催化剂的光响应范围,且有效地抑制了光生载流子的再复合,从而提高了催化剂的光催化活性。综上所述,本文采用溶剂热法合成了具有高催化性能的双相U-TiO2纳米带,并在此基础上合成了PdO/U-TiO2纳米带异质结构和贵金属(Au、Ag、Pt和Pd)/U-TiO2纳米带异质结构,研究了各产物的光催化性能,结果显示纳米异质结构的构建有效抑制了光生载流子的再复合,提高了光催化性能。因合成方法简单且具有优异的光催化性能,U-TiO2基纳米异质结构对光催化水处理和产氢方面具有很广阔的应用前景。
【关键词】：双晶相光催化剂 U-TiO_2纳米带 PdO/U-TiO_2纳米带 异质结构 光催化活性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O643.36
【目录】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-41
• 1.1 引言16
• 1.2 一维二氧化钛纳米材料概述16-28
• 1.2.1 一维纳米材料16
• 1.2.2 二氧化钛的基本性质16-18
• 1.2.3 一维二氧化钛纳米材料的制备方法18-22
• 1.2.4 一维二氧化钛纳米材料的表征方法22-24
• 1.2.5 一维二氧化钛纳米材料的应用24-28
• 1.3 一维二氧化钛纳米带异质结构的制备和应用28-31
• 1.3.1 同质异相结构的构建28-29
• 1.3.2 金属氧化物-1D二氧化钛纳米异质结构的构建29-30
• 1.3.3 贵金属纳米颗粒-1D二氧化钛纳米异质结构的构建30-31
• 1.4 研究目的和主要内容31-33
• 参考文献33-41
• 第二章 超细二氧化钛纳米带的制备及其光催化性能的研究41-58
• 2.1 引言41-42
• 2.2 实验过程42-44
• 2.2.1 实验原料及仪器42
• 2.2.2 实验步骤和表征手段42-44
• 2.2.3 光催化性能测试44
• 2.3 结果与讨论44-54
• 2.3.1 X射线衍射分析44-45
• 2.3.2 形貌分析45-48
• 2.3.3 纳米结构分析48-52
• 2.3.4 光催化性能测试分析52-53
• 2.3.5 超细二氧化钛纳米带光催化性能机理的讨论53-54
• 2.4 结论54-56
• 参考文献56-58
• 第三章 基于肖特基结的U-TiO_2纳米带表面异质结构的制备及其产氢性能的研究58-67
• 3.1 引言58-59
• 3.2 实验过程59-61
• 3.2.1 实验原料及仪器59
• 3.2.2 实验步骤及表征手段59-60
• 3.2.3 光催化产氢性能测试60-61
• 3.3 结果与讨论61-65
• 3.3.1 形貌分析61-62
• 3.3.2 光催化产氢性能分析62-63
• 3.3.3 光谱性能分析63-65
• 3.4 结论65-66
• 参考文献66-67
• 第四章 金属半导体/U-TiO_2纳米带异质结构的制备及其光催化性能研究..67-90
• 4.1 引言67-68
• 4.2 PdO/U-TiO_2纳米带异质结构的制备及其光催化性能研究68-82
• 4.2.1 实验过程68-72
• 4.2.2 结果与讨论72-81
• 4.2.3 结论81-82
• 4.3 MoS_2/U-TiO_2纳米带异质结构的制备及其光催化性能研究82-88
• 4.3.1 实验过程82-83
• 4.3.2 结果与讨论83-87
• 4.3.3 结论87-88
• 参考文献88-90
• 第五章 结论90-93
• 5.1 主要内容90-91
• 5.2 本论文创新点91
• 5.3 有待进一步开展的工作91-93
• 附录93-102
• 致谢102-103
• 攻读硕士期间发表的学术论文103-104
• 学位论文评阅及答辩情况表104

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