二氧化钛纳米线的光催化性能提升：同质复合与衬底选择

发布时间：2020-04-05 06:03

【摘要】：二氧化钛光催化技术在新能源和环境治理等领域有着重要的应用。一维TiO2纳米线具有比表面积大、光生电子空穴对易分离等优点,是高性能光催化剂合理的纳米结构选择。本文基于TiO2纳米线,利用半导体同质复合技术,以及具有高吸附性能的衬底选择,进一步提升TiO2光催化降解水中有机污染物的能力。研究工作取得如下主要结果:(1)P25/TiO2纳米线分级结构:利用Ti-H2O2-三聚氰胺反应体系,以商用P25纳米粉为异质形核中心,诱导沉积核壳纳米线分级结构P25/TiO2粉体,P25含量简单可控。P25含量为17.7 wt.%时,复合粉体具有最佳的光催化活性。紫外光照射下,降解水中苯酚的效率略高于P25纳米粉末,是TiO2纳米线粉末的3.1倍,是相同组成纳米线和P25粉末机械混合样品的1.5倍。光催化性能的提升可归因于同质相结引起的协同作用。(2)钛片基体TiO2纳米结构复合薄膜:采用Ti-H2O2反应体系,在钛片基体沉积准定向排列的TiO2纳米棒、纳米线和纳米花薄膜;采用溶胶-凝胶浸渍提拉工艺,将3-7 wt.%锐钛矿相TiO2纳米颗粒填充到TiO2纳米阵列间隙内,经后续热处理,得到0D/1D、OD/3D结构TiO2复合薄膜。紫外光照射下催化降解苯酚的实验结果表明,填充少量锐钛矿相TiO2溶胶-凝胶纳米粒子后,TiO2纳米棒、纳米线和纳米花薄膜的光催化活性分别提升了 76%、136%和26%。光催化性能的提升可归因于相结引起的协同作用,以及纳米颗粒在阵列间隙填充引起的薄膜光催化剂担载量提高。(3)碳纤维布负载TiO2纳米线薄膜:选取碳纤维布为衬底,利用Ti-H2O2-三聚氰胺反应体系制备碳布负载锐钛矿相TiO2纳米线薄膜。通过多次沉积工艺调控薄膜厚度(1.5-4.5μm)。吸附实验结果显示,薄膜对罗丹明B、苯酚、磺基水杨酸的吸附符合准二级动力学模型,表明吸附动力学过程主要是受化学作用控制;对罗丹明B和苯酚的吸附属于“L”型等温吸附,对磺基水杨酸的吸附行为属于“S”型等温吸附,表明薄膜孔结构、表面电荷性质等因素显著影响其吸附行为。薄膜制备过程碳布所经历的H2O2处理及后续热处理显著提高了碳布衬底的吸附性能,对罗丹明B、苯酚、磺基水杨酸的饱和吸附量qe分别为0.007、1.018和0.027 mmol/g,是原始碳布的2.3、102和27倍。Ti02纳米线覆盖降低qe值。光催化测试结果表明,厚度为4.5 μm的薄膜对水溶液中的罗丹明B和磺基水杨酸具有最大总去除率。与厚度接近的沉积于金属钛片基体的纳米线薄膜相比,沉积于碳布衬底的TiO2纳米线薄膜的光催化性能有明显提升。高吸附性能的碳布衬底和Ti02纳米线光催化具有协同作用:1)碳布为溶液中的溶质分子提供大量吸附位点,将溶质分子富集在薄膜表面;2)光催化活性位点附近的吸附分子扩散到光催化位点上被降解,脱附后的吸附位点可被重新利用;3)导电碳布使得光生电子能够从Ti02传输到碳布上,促进光生电子空穴对的分离;4)衬底的纤维状结构大大增加催化剂的有效接触面积,避免了纳米线堆积。上述结果显示,半导体同质复合和衬底吸附均可以实现“1+12”的协同作用,是推进Ti02光催化技术在污水处理领域产业化应用的有效策略。
【图文】：

Ｐｕｒｐｌｅ邋ｓｐｈｅｒｅｓ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ邋Ｔｉ邋ａｔｏｍｓ，邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｂｌｕｅ邋ｏｃｔａｈｅｄｒａ邋ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ邋Ｔｉ0６邋ｂｌｏｃｋｓ．邋Ｏｘｙｇｅｎ邋ａｔｏｍｓ邋ａｔ逡逑ｔｈｅ邋ｃｏｒｎｅｒ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｏｃｔａｈｅｄｒａ邋ａｒｅ邋ｏｍｉｔｔｅｄ邋ｆｏｒ邋ｃｌａｒｉｔｙ逡逑光催化反应包括三个步骤，如图１．２所示［｜２１。第一步，Ｔｉ０２半导体受到能量逡逑大于禁带宽度的光激发产生电子（ｅ＿）和空穴（ｈ＋）；第二步，光生电子与空穴迁逡逑移到Ｔｉ０２表面；第三步，光生电子和空穴分别与吸附在Ｔｉ０２表面的电子受主和逡逑施主作用发生氧化还原反应，将有机大分子光催化降解为Ｃ０２、Ｈ２０等无机小分逡逑子物质。目前，大部分研究热点都注重于提高光响应范围、抑制载流子复合、Ｔｉ０２逡逑表面活化等方面，，从而得到具优异光催化性能的Ｔｉ０２材料。逡逑ｔ邋ｉｈ－ｃａｔｉｌｌｙＭ逦＜逡逑．言逦？|!，—逦Ｌ，／逡逑ｍ邋ｉｒ逦ｉｉ邋＇逦，Ｈ邋ｊｒ＾／ｒ逡逑■２逦＊逦ｍ逡逑Ｐｌｉｏｔａｅｘｃｉｉａｔｉｏ

材料所表现出来的性能也有很大不同。逡逑ｓ：．；ｊ邋㈨

本文编号：2614647