多形貌二氧化钛基纳米材料的制备及其光催化性质研究
发布时间：2021-01-18 05:49
TiO2纳米材料以其良好的物理化学稳定性、出色的光学性质、无毒且成本低廉等优势,已广泛应用于解决与经济发展有关的能源问题和环境问题。尽管Ti O2的光催化研究已取得长足进步,然而在性能方面,由于其光生载流子的快速复合和较窄的光响应范围等限制了其在光催化领域的应用。本论文通过构建Ti O2与其他半导体的异质结构,制备了几种具有特殊结构的新型Ti O2基纳米复合材料,并研究了其在光催化领域的应用。（1）开发了一种具有多级孔结构的Ti O2/Cd S复合材料并用于光催化降解罗丹明B反应,取得了可见光下光催化性能的提升;（2）合成了一种具有核壳结构的Fe3O4@Si O2@Ti O2/Mo S2纳米复合材料,并提高了材料的光催化性能和磁性可回收性能;（3）制备了一种具有中空结构的1T/2H-Mo S2修饰的介孔Ti O2纳米球,并对其结构、形貌以及光催化降解性能进行了探究分析;（4）合成了一种具有双壳层结构的Ti O2/g-C3N4纳米空心球,取得了可见光下催化降解亚甲基蓝的性能提升,并探索了其性能提升的原因。
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Ti O2的四种晶相结构:(a)金红石相,(b)锐钛矿相,(c)板钛矿相,(d)Ti O2(B)相[36]。
光催化,顾名思义,是由光化学和催化化学组成,研究对象多以半导体为主,且半导体的光催化活性取决于其能带结构。由于Ti O2是一种宽带隙半导体(3.2e V),所以只能吸收380 nm以下的紫外光而受到激发。光催化机理如图1.2所示[52],当光照射在Ti O2表面时,价带电子因受到激发而跃迁到导带,形成导带电子(e-)和价带空穴(h+),即产生电子和空穴对(光生载流子),它们同吸附在催化剂表面的物质发生氧化还原反应。在光催化过程中,e-具有强还原性,可以利用其将H2O分解制备氢气(H2),或者将二氧化碳(CO2)还原成甲烷(CH4)、甲醇(CH3OH)等碳氢化合物,应用于清洁能源领域[30,53-55]。与此同时,h+可以凭借其强氧化性,将有机物氧化成H2O、CO2及其他无机小分子,应用于环境领域[56-60]。此外,光生载流子与水中的H+和O2结合形成具有强氧化能力的活性基团,如羟基自由基(?OH)、超氧自由基(?O2-)等,这些活性基团同样在光催化过程中扮演着重要角色。通常,光生载流子在半导体中存在时间很短,极易自发复合,以热或光的形式释放出能量。因此,延长光生载流子的存在时间能有效地提高光催化性能。2. Ti O2纳米材料的光催化应用
通过模拟光合作用,Ti O2光催化在能源领域的应用主要表现在光解水制氢、二氧化碳还原等方面,如图1.3所示[61]。Fujishima等通过将贵金属铂(Pt)和Ti O2作为电极,在光照下成功将水分解为H2和O2[62]。Yuan等以Ti Cl4为钛源,尿素为氮源,在高温煅烧后制备出了氮(N)掺杂Ti O2纳米材料,并且探究了煅烧温度(350-700°C)及N的掺杂量对提高其在可见光下分解水制H2的光催化活性影响[30]。Zhao等设计了一种核壳结构的表面由石墨烯包覆的Pt/TiO2纳米材料,石墨烯和Pt的存在有效地提高了Ti O2表面光生电荷的分离效率,使材料对光催化还原CO2转化为CH4的产率达到41.3?mol g?1h?1[33]。Yu等报道了一种含有不同{001}和{101}晶面比例的锐钛矿相Ti O2纳米材料,通过在{001}和{101}晶面之间构建“表面异质结”来促进光生载流子的传输,当{001}和{101}晶面比例为45:50时,其对光催化还原CO2制备CH4的活性最高[32]。此外,Raziq等报道了一种构建Mn Ox、g-C3N4及Au-TiO2多元体系的纳米材料,其在光解水制H2和CO2还原制备CH4上均表现出优异的光催化活性[54]。(2)Ti O2光催化在环境领域的应用
本文编号：2984399
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Ti O2的四种晶相结构:(a)金红石相,(b)锐钛矿相,(c)板钛矿相,(d)Ti O2(B)相[36]。
光催化,顾名思义,是由光化学和催化化学组成,研究对象多以半导体为主,且半导体的光催化活性取决于其能带结构。由于Ti O2是一种宽带隙半导体(3.2e V),所以只能吸收380 nm以下的紫外光而受到激发。光催化机理如图1.2所示[52],当光照射在Ti O2表面时,价带电子因受到激发而跃迁到导带,形成导带电子(e-)和价带空穴(h+),即产生电子和空穴对(光生载流子),它们同吸附在催化剂表面的物质发生氧化还原反应。在光催化过程中,e-具有强还原性,可以利用其将H2O分解制备氢气(H2),或者将二氧化碳(CO2)还原成甲烷(CH4)、甲醇(CH3OH)等碳氢化合物,应用于清洁能源领域[30,53-55]。与此同时,h+可以凭借其强氧化性,将有机物氧化成H2O、CO2及其他无机小分子,应用于环境领域[56-60]。此外,光生载流子与水中的H+和O2结合形成具有强氧化能力的活性基团,如羟基自由基(?OH)、超氧自由基(?O2-)等,这些活性基团同样在光催化过程中扮演着重要角色。通常,光生载流子在半导体中存在时间很短,极易自发复合,以热或光的形式释放出能量。因此,延长光生载流子的存在时间能有效地提高光催化性能。2. Ti O2纳米材料的光催化应用
通过模拟光合作用,Ti O2光催化在能源领域的应用主要表现在光解水制氢、二氧化碳还原等方面,如图1.3所示[61]。Fujishima等通过将贵金属铂(Pt)和Ti O2作为电极,在光照下成功将水分解为H2和O2[62]。Yuan等以Ti Cl4为钛源,尿素为氮源,在高温煅烧后制备出了氮(N)掺杂Ti O2纳米材料,并且探究了煅烧温度(350-700°C)及N的掺杂量对提高其在可见光下分解水制H2的光催化活性影响[30]。Zhao等设计了一种核壳结构的表面由石墨烯包覆的Pt/TiO2纳米材料,石墨烯和Pt的存在有效地提高了Ti O2表面光生电荷的分离效率,使材料对光催化还原CO2转化为CH4的产率达到41.3?mol g?1h?1[33]。Yu等报道了一种含有不同{001}和{101}晶面比例的锐钛矿相Ti O2纳米材料,通过在{001}和{101}晶面之间构建“表面异质结”来促进光生载流子的传输,当{001}和{101}晶面比例为45:50时,其对光催化还原CO2制备CH4的活性最高[32]。此外,Raziq等报道了一种构建Mn Ox、g-C3N4及Au-TiO2多元体系的纳米材料,其在光解水制H2和CO2还原制备CH4上均表现出优异的光催化活性[54]。(2)Ti O2光催化在环境领域的应用
本文编号：2984399
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