微波法制备二氧化钛纳米管及光催化性能研究

发布时间：2019-08-19 08:50

【摘要】： 纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料,由于其独特的结构特性,使其在光学、电学、磁学、催化以及传感器等方面具有广阔的应用前景。因此,研究纳米材料的新性能,开发新型纳米材料,探索合成纳米材料的新方法将成为21世纪一大热门领域。纳米二氧化钛是一种新型半导体材料,其化学性质比较稳定且成本低廉、无毒,是一种最有应用潜力的光催化剂。二氧化钛纳米管是纳米二氧化钛的一种新的存在形式,与其他形态的纳米二氧化钛材料相比,它具有更大的比表面积和更强的吸附能力,有望进一步提高二氧化钛的光电转换效率和光催化性能,特别是若能在二氧化钛纳米管中掺杂部分无机、有机、金属或者磁性材料而制备出复合纳米材料,则二氧化钛纳米管的光电性能和催化活性将得到更大的改善。在本文中,首先利用溶胶-凝胶法制备得到二氧化钛纳米粉体,在此基础上初步探讨微波法制备二氧化钛纳米管的工艺。运用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪和比表面仪等测试手段对二氧化钛纳米管及纳米粉体的形貌、结构进行表征;以甲基橙为目标降解物,对比二氧化钛纳米管与纳米粉体进行光催化降解试验,研究其光催化性能,并对降解机理进行了理论分析。研究表明:溶胶-凝胶法制得的二氧化钛纳米粉的直径约为40~60nm;微波合成法制得的水洗后的二氧化钛纳米管外径为8~15nm,内径为5~10nm,长约为50~100nm,较均匀,而酸洗后的二氧化钛纳米管部分发生团聚,管状已不太明显;本试验条件下制得的二氧化钛纳米管及纳米粉均为锐钛矿型;纳米管的比表面积与纳米粉相对比有所增加。在15W紫外光源照射下,经150min光催化降解试验表明:二氧化钛纳米管比纳米粉具有更高的光催化性能。
【图文】：

晶型结构,二氧化钛

较早期的研究集中在光解 H2O、CO2和 N，光催化有机合成及光催化、固化降解污染物等方面。实验表明，体相材料的光催化活性均明显劣于其相应的纳米粒子；纳米半导体复合粒子的量子尺寸效应强烈地影响其光催化性能[15-19]。如，粒径为 3nm 的硫化锌半导体粒子，光催化还原 CO2的量子效率高达 80%，而相应的体相半导体却观察不到任何光催化活性。1.1.4 纳米 TiO2的特性二氧化钛（俗称钛白）是最重要的白色颜料，是当前紧缺的主要精细化工产品之一。纯 TiO2呈白色，加热时变为微黄色。按晶型分类，二氧化钛可分为金红石型、锐钛矿型和板钛矿型三种。金红石型 TiO2是一种典型的四方晶系晶体构型。晶格中心有一个钛原子，其周围有六个氧原子，这些氧原子位于八面体的棱角处，两个 TiO2分子组成一个晶胞。锐钛矿型 TiO2晶型也属四方晶系，四个 TiO2组成一个晶胞。板钛矿型 TiO2仅在低温下稳定，随着温度慢慢的升高，转换为金红石型。板钛矿型 TiO2晶型属斜方晶系，晶胞由六个 TiO2分子组成。板钛矿型是不稳定的晶型，加热至 650 度时，转化为金红石型[20]。

敏化剂,染料分子,步骤,离子掺杂

图 1.2 染料分子敏化剂的激发步骤Fig 1.2 The excitation step of dye molecule sensitizer④ 离子掺杂利用物理或化学方法，在 TiO2晶格内部引入离子，从而在其晶格中引入新电荷、改变晶格类型或形成缺陷，影响空穴和光生电子的运动状况，改变 Ti 的能带结构或者调整其分布纳米 TiO2粉体制备及光催化性能研究状态，最终导致 TiO2光催化活性的改变，即离子掺杂。修饰光催化剂 TiO2的离子掺杂研究方向主要是：1）贵金属离子，如 Pt、Au、Ag 等；2）稀土金属离子，如 Nd、La、Ce 等；3）过渡金属离子，，如 V、Cu、Fe、Pb、Cr 等。稀土元素在电子学、光学以及催化剂等诸多领域有着广泛的应用。其最外层电子排布基本相同并且在元素周期表中相邻，所以它们的性质而且呈现有规律的递变，比较相近。元素化合价有一些由于 4f 层将处于半满、全满或全空状态，而
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TB383.1

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