高温稳定型锐钛矿型二氧化钛及其光催化活性优化的研究

发布时间：2018-06-07 23:46

本文选题：锐钛矿相TiO_2 + 高温稳定性　；参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：随着工业化速度的加快,煤炭、石油等化石能源被大量地使用,资源逐渐枯竭,同时产生大量的工业废气、废水以及粉尘等污染物,对环境产生严重破坏。半导体光催化剂的出现,在制备清洁能源(光分解水制氢气)、光催化污水处理、污染气体处理等领域,为解决能源短缺和治理污染提供了新的思路。其中,二氧化钛光催化剂,以其自身的化学稳定性、低毒、廉价等优点,在光催化方面被广泛关注。但是,纯锐钛矿型TiO2仍具有一些缺点,比如,锐钛矿型TiO2禁带宽度较大,约3.2 eV,其光响应范围主要集中在紫外光区,对自然光的利用率很低,即自然光条件下的光催化性能较差,很难直接实际应用。另一方面,锐钛矿型TiO2是一种高温热力学亚稳结构,在约为600℃的温度下煅烧,则会发生相变,转变为光催化效果很差的金红石型TiO2,而且相转变为不可逆过程,但低温合成又会降低其结晶性能,劣化其光催化活性。本论文对锐钛矿型TiO2的高温稳定性进行了研究改进,并且对其光催化性能进行了优化。文章的主要内容有以下几个方面:一、提出了一种新颖且简单的液相法,利用四氯化钛为钛源,与高浓度氢氧化钠反应制备无定型的钛酸钠中间体。利用离子交换法,用HCl进行酸处理,Na+与H+离子交换,得到无定型的水合氧化钛。再经过热处理,得到纯纳米锐钛矿型TiO2,可以稳定存在于900℃的高温下。对于抑制高温下锐钛矿相TiO2向金红石相TiO2转变,反应过程中的无定型钛酸钠盐中间体至关重要,而对于无定型的钛酸钠盐中间体的制备,NaOH的浓度起着关键的作用,这一点也通过第一性原理理论计算模拟进行验证。样品的结晶性以及样品的相组成,对样品的光催化效果有着重要影响,高温下可以提高样品的结晶性,研究通过不同温度下对样品进行热处理,获得最佳的热处理温度。二、利用常温下的溶胶凝胶法,结合高温水热法,制备具有介孔的Si,N共掺杂的球形锐钛矿型TiO2,所得产物具有较好的高温稳定性和优越的光催化活性。发现N元素的掺入可以显著提高催化剂的光响应范围,而Si元素的存在可以提高锐钛矿相高温稳定性,同时与N元素形成Si-N键,提高了 N掺杂的高温稳定性,以及使用时的长时间稳定性。并进一步通过第一原理密度泛函理论进行模拟计算,验证Si-N键的存在,以及对N元素在高温下的稳定性的影响。三、为了进一步简化实验操作、降低生产成本,利用高能球磨法,以锐钛矿型TiO2为钛源,纳米SiO2为硅源,使用高能球磨,用简单的固相反应,制备Si掺杂的锐钛矿型TiO2。再在氨气气氛下热处理,最终制备具有高温稳定性以及高光催化活性的Si,N共掺的TiO2。实验过程简单易行、无须模板剂、可重复性好,适合大规模工业生产。四、对Si掺杂的锐钛矿型TiO2进行复合改性,以提高样品在可见光范围内的光响应,达到提高样品光催化性能的目的。研究尝试使用g-C3N4和AgCl分别与Si-TiO2复合,使得光生电子-空穴对可以有效分离,最终获得高性能、高稳定性的复合光催化剂,显著提高光催化效果。
[Abstract]:This paper presents a novel and simple liquid phase method , which is characterized by its chemical stability , low toxicity , low cost and so on . In order to further simplify the experimental operation and to improve the stability of Si - N bonds , it is possible to improve the high - temperature stability of the sample and to improve the stability of the N - element at high temperature .
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O643.36

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