静电纺丝制备钛基异质结复合纳米纤维及其光催化性能研究

发布时间：2020-05-07 02:49

【摘要】：近年来,水体污染已经成为各国政府和人民普遍关注的社会问题之一。尤其随着纺织印染工业的迅速发展,印染废水因其水量大,染料有机物浓度高?净化处理困难等特点成为水污染的主要来源之一。印染废水的处理方法主要包括物理吸附法?电解法?氧化法?凝聚法以及生物法等。其中光催化氧化方法因其具有成本低?快速且高效等优点逐渐受到了研究者们的广泛关注。光催化氧化方法的核心是光催化剂,如何通过设计制备出低成本?高活性且高太阳光利用率的光催化剂就成为了很多研究光催化领域的科研工作者们一直努力的方向。钛基半导体材料如金红石型二氧化钛(TiO_2)、钛酸锶(SrTiO_3)和钛酸钙(CaTiO_3)等由于具有环境友好?物理化学性质稳定?价格低廉等优点成为光催化剂家族中重要成员之一。但钛基纳米半导体材料(金红石型TiO_2、SrTiO_3和CaTiO_3)作为宽带隙半导体,只对紫外光有很好的响应,这极大限制了其对太阳光的利用率。此外,在拓展钛基光催化剂光吸收范围的同时,如何进一步提高其光催化活性及光稳定性也成为研发新型高效?光稳定性良好的可见光响应型钛基光催化剂亟需解决的难题之一。为了进一步拓展钛基光催化剂的光吸收范围和提高光催化剂的催化活性,本文首先通过系统的工艺研究,确定了静电纺丝制备钛基纳米纤维的最佳工艺条件,进而通过一步静电纺丝法制备了具有异质结的SrTiO_3修饰金红石型TiO_2复合纳米光催化剂,并进一步探讨了复合光催化剂中异质结的存在对催化活性影响;然后再通过设计将窄带隙的Ag_3PO_4半导体与宽带隙的SrTiO_3半导体进行匹配并形成具有异质结的复合光催化剂,并进一步探讨了Ag_3PO_4敏化SrTiO_3后对其光吸收范围及光催化活性的影响;此外,还通过设计在CaTiO_3纳米纤维上生长MoS_2纳米片复合光催化剂,并探讨MoS_2纳米片作为助催化剂的引入对其光催化活性的影响。主要研究的内容和成果如下:1.通过对施加电压?接收距离?热处理温度以及热处理过程的升温速率等静电纺丝制备方法的工艺条件进行优化来进一步探讨其对制备的钛基纳米光催化剂的晶体结构和纤维形貌的影响。研究结果表明,热处理温度为700°C时可以成功制备一维金红石型TiO_2纳米纤维?SrTiO_3纳米纤维和CaTiO_3纳米纤维。2.通过设计一步静电纺丝法,成功制备了具有异质结的一维SrTiO_3修饰金红石型TiO_2的复合纳米纤维光催化剂,并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明,与单相TiO_2纳米纤维相比,在紫外光辐照下,一维SrTiO_3/TiO_2(金红石型)(ST-3)异质结复合纳米纤维样品对甲基橙具有最大的降解率,其降解率约是单相金红石型TiO_2的2倍。3.通过设计将静电纺丝技术和原位沉积技术相结合,成功制备了具有异质结的一维Ag_3PO_4敏化的SrTiO_3复合纳米纤维光催化剂,并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明,Ag_3PO_4的引入既可以进一步拓展SrTiO_3的光吸收范围至可见光区,同时又可以和SrTiO_3进行很好的匹配形成异质结,而异质结可以通过有效的抑制光生电子-空穴的复合进而提高其对可见光的响应活性。在可见光照射下,与SrTiO_3纳米纤维相比,Ag_3PO_4/SrTiO_3(3AS)复合纳米纤维光催化剂对亚甲基蓝(MB)有更加优异的光催化降解活性,降解活性约是单相SrTiO_3纳米纤维的10倍。4.通过设计将静电纺丝技术和水热技术相结合,成功在CaTiO3纳米纤维上生长MoS2纳米片复合光催化剂,并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明,和单相CaTiO_3光催化剂相比,在氙灯的辐照下,MoS_2/CaTiO_3(MC-3)异质结复合纳米纤维光催化剂具有更高的催化降解罗丹明B的活性。这主要归因于MoS_2作为助催化剂可以通过MoS_2与CaTiO_3之间形成的异质结快速将光生电子传递出去,阻碍光生空穴与之复合,进而提高光催化活性;此外,由于MoS_2纳米片表面积较大使其参与反应的面积也会随之增大,而增大反应面积对提高光催化活性也有较为重要的影响。5.通过对设计制备的钛基异质结复合纳米纤维进行多次光催化循环实验来评估其光稳定。研究结果表明,经过多次循环光催化实验其催化活性降低只有不到10%,这对于未来应用于处理实际染料废水很有应用前景。
【图文】：

纳米线,扫描电镜图,长排列,硅衬底

以硅为衬底,并将钴纳米粒子作为催化剂分散在硅表面上制备出了垂直于硅片生长的 ZnO纳米线,如图 1.1 所示。图1.1 (a) 在n型硅衬底上生长排列有序的纳米线的扫描电镜图,(b) 排列有序的纳米线的高分辨扫描电镜图[24]Fig. 1.1 SEM image of (a)well-aligned nanowires grown on n-type siliconsubstrateand, (b) amagnified SEM image of well-aligned nanowires1.2.2.2 水热法水热法(Hydrothermal Method)一般是指对室温条件下不溶或难溶的化合物，，创造一个高温高压的环境，能够让其充分溶解并发生反应，同时还可以通过调整压强，温度、使溶液处于饱和状态进而生长出晶体的制备一维纳米材料的方法。水热法制备一维纳米材料的特点主要是,水热反应温度都对较低，操作比较简单，并且制备的一维纳米材料又具有良好的结晶度等。水热法影响因素主要有：反应温度、反应时间以及升温速率等[25]。

透射电镜,透射电镜

浙江理工大学博士学位论文静电纺丝制备钛基异质结复合纳米纤维及其光催化性能研Dumrongrojthanath 等人[26]采用水热法在 180 °C 下,经过 20 h 制备了 Ce 掺杂 MoO3纳米经过研究发现,在可见光照射下,Ce 掺杂 MoO3得到的光催化剂较单相 MoO3对亚甲基(MB)有更好的光催化活性，尤其3 wt% Ce掺杂的MoO3纳米带可以在50 min内降解94.8的亚甲基蓝(MB)。Viet 等人[27]采用一步水热法制备了 SnO2纳米粒子修饰的 TiO2纳米(TNTs),如图 1.2 所示。具体制备过程是将 TiO2粉体溶于 NaOH 溶液中,然后分别加入前制备的 SnO2前驱体材料,然后分别得到 2 % SnO2/TNTs、5 % SnO2/TNTs、10 % SnO2/T和 15 % SnO2/TNTs 的混合物，然后将上述多种混合物分别转移到不锈钢高压釜中，135 °C 下加热 24h,自然冷却到室温,最后通过加入盐酸和去离子水使 pH 值为 7,再经80 °C 下干燥 5 h 得到一系列具有异质结的 SnO2/TNTs 一维纳米材料。并经过研究发现通水热法制备的异质结的 SnO2/TNTs 一维纳米材料具有良好的光催化性能。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O643.36;TQ340.64

【参考文献】