氟钛酸铵法制备二氧化钛光催化剂及其性能研究

发布时间：2020-11-16 23:04

　　 光催化是光化学反应的一个前沿领域,它能使许多在通常情况下难以实现的化学反应可以在比较温和的条件下进行。二氧化钛是当前最理想的光催化材料,它的优点是：光照后不发生光腐蚀,化学性质稳定,降解有机物彻底,不产生二次污染,对生物无毒性。 结晶态二氧化钛的可控制备是二氧化钛光催化技术实用化的基础。制备二氧化钛通常以钛醇盐和四氯化钛作为钛前驱体,这有两个不利因素：一是这两种钛前驱体对水分极其敏感,因而反应速度、产物的尺寸和形貌不易控制；二是反应产物通常为无定形二氧化钛,其必须经过高温煅烧才能转化为具有光活性的结晶态二氧化钛,然而,高温煅烧通常会造成硬团聚、表面去羟基化、分离相等不利影响。水热法虽可直接制备出结晶态二氧化钛,但其需要高温高压的反应环境。此外,二氧化钛光催化技术在净水及治理环境污染领域应用还必须解决回收问题。固定化或负载技术虽然能有效回收二氧化钛但其以牺牲二氧化钛的光催化效率为代价。基于以上考虑,我们提出以六氟钛酸铵作为钛前驱体制备形貌和晶相均可控的二氧化钛光催化材料,并将其组装以使其兼备高光催化活性和易回收性能。本论文的主要研究内容如下： 1.氟掺杂锐钛矿二氧化钛微球的尿素均匀沉淀法制备及性能研究 液相中六氟钛酸铵和尿素在83-100℃反应30 min成功制备出锐钛矿二氧化钛微球。二氧化钛微球由大量的球状一次纳米粒子组装而成,可通过沉降或过滤回收。反应时间为30 min,反应温度由83℃升高至100℃后,二氧化钛微球尺寸减小结晶度提高。反应温度为83-100℃,反应时间由30 min延长至120 min后,微球结构发生坍塌进而转变为花形结构,一次纳米粒子由球形转变为纺锤形并且尺寸增大。分析表明氟离子原位掺入了二氧化钛晶格,而且微球表面吸附有铵根和氟离子。 二氧化钛微球在可见光区无明显光吸收。在365 nm紫外光激发下,二氧化钛微球具有良好的光催化性能。 2.氟铁共掺杂锐钛矿二氧化钛微球的尿素均匀沉淀法制备及性能研究 在制备氟掺杂锐钛矿二氧化钛微球的基础上,向反应液中加入三氯化铁成功制备出氟铁原位共掺杂锐钛矿二氧化钛微球。微球处于高度分散状态,尺寸为400-700nm。铁掺杂量为3.0 at.%及低于该值的粉体为锐钛矿二氧化钛,铁掺杂量高于3.0at.%的粉体为由锐钛矿相二氧化钛和氧化铁所组成的混合物。氟铁共掺杂二氧化钛微球在可见光区有强吸收,并且随着铁掺杂量的增加而增强。光催化性能测试表明铁掺杂具有双重效应,其既能促进二氧化钛中光生载流子的分离,延长载流子寿命,又会成为载流子的复合中心,铁掺杂对二氧化钛光催化性能的影响是这两种效应共同作用的结果。在紫外光激发下,二氧化钛微球的光催化性能随着铁掺杂量的增大而增强,氟和3.0 at.%铁共掺杂二氧化钛微球具有优异的光催化性能,其能在15分钟内几乎将甲基橙完全降解。在可见光激发下,二氧化钛微球的光催化性能随着铁掺杂量的增大而下降。氟掺杂二氧化钛微球在可见光激发下具有比氟和铁共掺杂二氧化钛微球更优异的光催化性能。 3.氟掺杂米粒状锐钛矿二氧化钛纳米粒子的液相合成及性能研究 将氨水、氢氧化钠或四甲基氢氧化铵溶液滴入被加热到90℃的六氟钛酸铵溶液中均可制备出米粒状锐钛矿相二氧化钛纳米粒子。纳米粒子分散性良好,尺寸为100-150 nm。二氧化钛纳米粒子晶格中含有氟离子,表面吸附有铵根和氟离子,无可见光吸收。空气中500℃煅烧2h后纳米粒子仍然为锐钛矿相二氧化钛,其所含的吸附水和结晶水以及吸附在表面的铵根几乎被完全去除,结晶度提高并具有可见光吸收。沉淀剂的性质及用量对二氧化钛纳米粒子的光催化性能有很大影响。以氢氧化钠为沉淀剂液相中直接沉积出的二氧化钛纳米粒子在紫外光激发下5分钟内对甲基橙的降解率达到80%,15分钟内几乎将甲基橙完全降解；在可见光激发下,60分钟内其几乎将甲基橙完全降解。 4.石墨烯/二氧化钛纳米复合材料的液相自组装及性能研究 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料具有特殊的异质结构,在太阳能电池、敏感元器件以及光催化领域有广阔的应用前景。以六氟钛酸铵为钛源,采用尿素均匀沉淀法,通过使锐钛矿二氧化钛纳米粒子在石墨烯氧化物片层上异质形核并原位生长成功组装出石墨烯氧化物/二氧化钛纳米复合材料,再通过水合肼还原进一步制备出石墨烯/二氧化钛纳米复合材料。二氧化钛纳米粒子能抑制石墨烯氧化物以及石墨烯片层团聚。石墨烯氧化物以及石墨烯均能促进二氧化钛中光生载流子的分离,但机制不同。石墨烯性质类似金属,其通过在与二氧化钛结合处产生肖特基势垒促进二氧化钛中光生载流子的分离。石墨烯氧化物扮演着电子受体的角色,其接收二氧化钛导带中的光生电子而被还原成石墨烯。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：O643.36
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 二氧化钛的结构与性能
    1.3 与粒子尺寸相关的相稳定性
    1.4 二氧化钛光催化原理
    1.5 影响二氧化钛光催化活性及光催化反应速率的因素
2晶相的影响'>        1.5.1 TiO₂晶相的影响
        1.5.2 粒径的影响
        1.5.3 晶格缺陷的影响
        1.5.4 二氧化钛添加量的影响
        1.5.5 反应器结构及光吸收的影响
        1.5.6 反应液中添加剂的影响
        1.5.7 PH值和吸附的影响
    1.6 二氧化钛的合成
        1.6.1 氯化法
        1.6.2 硫酸法
        1.6.3 醇盐法
    1.7 增强二氧化钛光催化活性及效率的方法
        1.7.1 掺杂
        1.7.2 贵金属沉积
        1.7.3 复合半导体
        1.7.4 表面敏化
        1.7.5 物理法增强二氧化钛的光催化活性及效率
    1.8 碳材料/二氧化钛复合光催化剂
    1.9 二氧化钛光催化剂的应用
        1.9.1 光催化处理废水
        1.9.2 光催化自洁效应
        1.9.3 防雾功能
        1.9.4 光催化灭菌
    1.10 本论文的研究内容和意义
第二章 实验方法与数据处理
    2.1 实验材料与试剂
    2.2 试验用主要仪器设备
    2.3 结构表征
        2.3.1 扫描电子显微镜
        2.3.2 X射线衍射
        2.3.3 X射线光电子谱
        2.3.4 红外光谱
        2.3.5 紫外-可见吸收光谱
        2.3.6 荧光光谱
        2.3.7 透射电子显微镜
    2.4 性能测试
        2.4.1 有机染料光降解测试
        2.4.2 羟基自由基测试
第三章 氟掺杂锐钛矿二氧化钛微球的制备及性能研究
    3.1 引言
    3.2 氟掺杂二氧化钛微球的制备方法
    3.3 锐钛矿二氧化钛粉体液相一步合成
    3.4 锐钛矿二氧化钛粉体的形貌
    3.5 锐钛矿二氧化钛微球的形成机制
    3.6 明胶对二氧化钛微球形貌的影响
    3.7 氟掺杂锐钛矿二氧化钛微球的光学吸收谱
    3.8 热处理对二氧化钛微球晶体结构及组分的影响
    3.9 氟掺杂锐钛矿二氧化钛微球的X射线光电子谱分析
    3.10 氟掺杂二氧化钛微球在不同PH值溶液中的分散稳定性
    3.11 氟化钠对二氧化钛微球形貌及性能的影响
    3.12 硫脲对二氧化钛微球形貌及性能的影响
    3.13 本章小结
第四章 氟铁共掺杂二氧化钛微球的制备及性能研究
    4.1 引言
    4.2 实验方法
        4.2.1 氟铁共掺杂二氧化钛微球的制备
        4.2.2 光催化实验
        4.2.3 样品的命名
    4.3 氟铁共掺杂二氧化钛微球的晶体结构与形貌
    4.4 高温煅烧对粉体组成及表面结构的影响
    4.5 氟铁共掺杂二氧化钛微球的X射线光电子谱分析
    4.6 氟铁共掺杂二氧化钛微球的光学吸收谱
    4.7 氟铁共掺杂二氧化钛微球的光催化性能
    4.8 本章小结
第五章 氟掺杂二氧化钛纳米粒子的制备及性能研究
    5.1 引言
    5.2 实验方法
        5.2.1 锐钛矿相二氧化钛纳米粒子的制备
        5.2.2 光催化性能测试
    5.3 二氧化钛粉体的晶体结构和形貌
    5.4 二氧化钛纳米粒子的X射线光电子谱分析
    5.5 热处理对二氧化钛纳米粒子晶体结构及表面成分的影响
    5.6 二氧化钛纳米粒子的光学吸收谱
    5.7 二氧化钛纳米粒子的紫外光光催化活性
    5.8 二氧化钛纳米粒子的可见光光催化活性
    5.9 本章小结
第六章 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料的制备及性能研究
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 石墨氧化物的制备
        6.2.2 石墨烯氧化物/二氧化钛纳米复合材料的制备
        6.2.3 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料的制备
        6.2.4 光催化氧化性能测试
    6.3 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料的自组装
    6.4 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料分散液的光学性质
    6.5 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料分散液的盐效应
    6.6 石墨烯/二氧化钛纳米复合材料的光活性
    6.7 本章小结
第七章 结论
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的论文
作者简历

【共引文献】

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本文编号：2886769