TiO_2非晶纳米颗粒的制备与表征

发布时间：2017-08-23 16:40

  本文关键词：TiO_2非晶纳米颗粒的制备与表征

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【摘要】：TiO2因具有较高的催化活性、生物相容性、抗菌性和能够吸收紫外线等优异的性能,而被广泛应用于很多领域,如光催化、化妆品、太阳能电池、化学传感器以及锂离子电池等。非晶态TiO2,作为TiO2的一种,结构上具有非晶态特有的“短程有序,长程无序”的特点。非晶态TiO2结构上不同于晶态TiO2的有序结构,因此,非晶态TiO2具有不同于晶态TiO2的性能。非晶态TiO2在太阳能电池、半导体器件以及纳米玻璃的制备等领域具有广泛的重要应用前景。因此,非晶态TiO2的制备具有重要意义。我们采用传统的溶胶-凝胶法,以钛酸四丁酯(TBOT)和异丙醇钛(TTIP)为钛源,制备TiO2非晶纳米颗粒。探讨加入醋酸调节反应溶液pH值,以及加入表面活性剂,对TiO2非晶纳米颗粒的形状、尺寸、相变和分散性的影响。分别采用直接沉淀法和均匀沉淀法,以无机钛盐为原料,制备TiO2颗粒,并对其进行表征。二氧化钛作为一种热门的光催化剂材料,其可见光利用率低的缺点限制了其应用范围。非晶态二氧化钛结构上不同于晶态二氧化钛,具有不同于晶态二氧化钛的电子结构和光学性质。因此,非晶态二氧化钛有望成为解决二氧化钛可见光利用率低的途径之一。对所制备的TiO2非晶纳米颗粒的光催化性能进行表征,研究样品颗粒尺寸及结构对光催化性能的影响。此外,研究制备过程中使用酒精和水洗涤对TiO2样品结构的影响,分析了其机理,并将此方法在其他金属氧化物及氢氧化物的制备过程中验证。该方法有望成为一种简单有效控制金属氧化物和氢氧化物结构的方法。研究结果表明,采用溶胶-凝胶法,以钛酸四丁酯为钛源,制备TiO2非晶纳米颗粒。研究了表面活性剂,反应溶液pH值,及钛醇盐种类对制备样品颗粒尺寸的影响。以聚乙二醇(PEG)为表面活性剂,制备出样品分散性较好,且颗粒尺寸较小。加入醋酸调节反应溶液的pH值,加入1 mL醋酸时,反应溶液的pH值由6.0降低至3.8。制备样品颗粒尺寸随加入醋酸量的增加而减小。有机钛盐的水解速率受结构中碳链的影响,碳链长度越短反应速率越快。因此,使用异丙醇钛为钛源,制备出了颗粒尺寸较小的TiO2非晶纳米颗粒。透射电子显微镜(TEM)分析结果显示,采用溶胶-凝胶法,制备出纯度高、形状比较规则、分散性较好,平均颗粒尺寸分别为21 nm、38 nm、52 nm的TiO2非晶纳米颗粒。采用直接沉淀法,无机钛盐TiCl4为钛源,3 mol/L氨水为沉淀剂,制备TiO2非晶纳米颗粒。结合差热分析(DTA)和X射线衍射(XRD)分析结果,确定了最佳煅烧参数;300?C煅烧2 h,制备TiO2非晶纳米颗粒。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析结果表明,样品中有机物等其他杂质基本被去除。透射电子显微镜(TEM)分析结果显示,样品颗粒的尺寸较小,且分散性较好。BET比表面积测试结果推算出前驱体样品颗粒平均颗粒尺寸为3.57 nm,所制TiO2非晶纳米颗粒平均颗粒尺寸为3.64 nm。然后采用均匀沉淀法,制备TiO2样品,研究了不同钛源及不同沉淀剂对样品颗粒形状的影响。以TiCl4和TBOT为钛源制备的样品颗粒形状不规则,而以Ti(SO4)2为钛源制备的样品颗粒形状为球形。使用不同沉淀剂制备样品时,可对样品颗粒颗粒尺寸进行调节。对制备的不同颗粒尺寸及结构的TiO2样品光催化性能进行了研究。首先选取不同平均颗粒尺寸的TiO2非晶纳米颗粒,进行光催化试验。紫外-可见吸收光谱(UV-vis)分析结果显示,样品带隙能随颗粒尺寸减小而减小。紫外光催化分解甲基橙实验结果显示,样品的催化性能随颗粒尺寸减小而增加。此外,对非晶态和晶态二氧化钛光催化性能进行了对比分析。UV-vis分析结果显示,非晶态TiO2可见光吸收率较高,且非晶态TiO2带隙能较小。分解甲基橙(MO)实验结果显示,在紫外光照射下,晶态TiO2样品具有较高的催化分解MO效率;在可见光照射下,非晶态TiO2样品具有较高的催化分解MO效率。非晶态二氧化钛有望成为解决二氧化钛可见光利用率低的途径之一。为控制TiO2非晶态结构,研究了制备条件对TiO2结构的影响。TiO2样品制备过程中,酒精和水洗涤对样品的结构有较大影响。XRD分析结果显示,酒精洗涤样品为非晶态结构,而水洗涤样品为晶态结构。酒精洗涤样品经过320?C煅烧2 h,仍保持非晶态结构。结合FTIR和TG分析,得出控制样品结构的原因,是酒精洗涤样品在样品颗粒表面形成了(Ti(RCH2O)2xO2-x)有机包覆层,煅烧过程中包覆层被氧化为(Ti(RCOO)2xO2-x)包覆层,这两种包覆层均能阻碍样品颗粒的晶化,使样品颗粒保持非晶态结构。水洗涤样品由于没有包覆层的存在,能够在较低的温度下晶化。该方法对制备TiO2样品的结构控制具有简单易行的优点,并在ZrO2、FeO(OH)和Al(OH)3的结构控制中得以验证。
【关键词】：TiO2 非晶态 纳米颗粒 溶胶-凝胶 沉淀法 光催化 晶化
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ134.11;TB383.1
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 引言11-30
• 1.1 纳米材料概述11-14
• 1.1.1 纳米材料的物理特性11-13
• 1.1.2 纳米材料的应用13-14
• 1.2 非晶态材料概述14-16
• 1.2.1 非晶态材料的应用15-16
• 1.2.2 纳米玻璃16
• 1.3 二氧化钛概述16-21
• 1.3.1 二氧化钛的晶体结构17-18
• 1.3.2 非晶态二氧化钛18-19
• 1.3.3 二氧化钛纳米颗粒的制备方法19-21
• 1.4 光催化技术简介21-23
• 1.5 本论文的选题依据和研究内容23-24
• 参考文献24-30
• 第二章 纳米颗粒的表征技术30-36
• 2.1 X射线衍射（XRD）30-31
• 2.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）31
• 2.3 扫描电子显微镜（SEM）31-32
• 2.4 透射电子显微镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）分析32-33
• 2.4.1 透射电子显微镜（TEM）32-33
• 2.4.2 选区电子衍射（SAED）33
• 2.5 差热-热重分析(TG-DTA)33-34
• 2.6 BET比表面积测试法34
• 2.7 紫外-可见吸收光谱（UV-vis）34-35
• 参考文献35-36
• 第三章 溶胶凝胶法制备TiO_2非晶纳米颗粒36-48
• 3.1 概述36
• 3.2 实验原理及过程36-38
• 3.3 实验准备38
• 3.4 具体实验过程38
• 3.5 样品的表征分析38-45
• 3.5.1 二氧化钛前驱体的差热-热重分析38-39
• 3.5.2 二氧化钛纳米颗粒的XRD表征39-40
• 3.5.3 二氧化钛非晶纳米颗粒的FTIR表征40-41
• 3.5.4 样品颗粒形貌的SEM表征41-43
• 3.5.5 样品颗粒形貌的TEM表征43-45
• 3.6 小结45-46
• 参考文献46-48
• 第四章 沉淀法制备TiO_2非晶纳米颗粒48-60
• 4.1 概述48
• 4.2 实验原理及过程48-50
• 4.2.1 直接沉淀法48-49
• 4.2.2 均匀沉淀法49-50
• 4.3 实验准备50
• 4.4 具体实验过程50-51
• 4.4.1 直接沉淀法50
• 4.4.2 均匀沉淀法50-51
• 4.5 直接沉淀法制备样品的表征分析51-55
• 4.5.1 二氧化钛纳米颗粒的XRD表征51
• 4.5.2 二氧化钛前驱体的差热-热重分析51-52
• 4.5.3 二氧化钛纳米颗粒的FTIR表征52-53
• 4.5.4 样品颗粒形貌的TEM表征53-54
• 4.5.5 BET比表面积测试法54-55
• 4.6 均匀沉淀法制备样品的表征分析55-58
• 4.6.1 均匀沉淀法制备TiO_2形貌的SEM表征55-58
• 4.7 小结58
• 参考文献58-60
• 第五章 TiO_2非晶纳米颗粒光催化性能研究60-70
• 5.1 概述60-62
• 5.2 实验原理62
• 5.3 实验准备62
• 5.4 具体实验过程62-63
• 5.4.1 二氧化钛样品的制备62-63
• 5.4.2 二氧化钛光催化分解甲基橙实验63
• 5.5 二氧化钛非晶纳米颗粒的光催化性能表征63-67
• 5.5.1 二氧化钛非晶纳米颗粒UV-vis表征63-64
• 5.5.2 样品吸附特性研究64-65
• 5.5.3 二氧化钛非晶纳米颗粒光催化性能研究65-66
• 5.5.4 二氧化钛非晶纳米颗粒光催化循环稳定性研究66-67
• 5.6 非晶态与锐钛矿二氧化钛光催化性能对比67-68
• 5.6.1 不同结构的二氧化钛纳米颗粒UV-vis表征67
• 5.6.2 不同结构二氧化钛纳米颗粒光催化性能研究67-68
• 5.7 小结68-69
• 参考文献69-70
• 第六章 水和酒精洗涤对样品结构的影响70-83
• 6.1 概述70
• 6.2 实验原理及过程70-71
• 6.3 实验准备71
• 6.4 具体实验过程71-72
• 6.5 样品的表征分析72-79
• 6.5.1 不同条件下制备二氧化钛的XRD谱72-73
• 6.5.2 不同条件下制备二氧化钛的FTIR表征73-75
• 6.5.3 酒精和水洗涤样品的热重分析75
• 6.5.4 酒精和水洗涤样品的TEM表征75-77
• 6.5.5 酒精和水对其他体系影响的XRD表征77-79
• 6.6 小结79-80
• 参考文献80-83
• 第七章 结论与展望83-86
• 7.1 结论83-84
• 7.2 创新点84
• 7.3 展望84-86
• 在学期间的研究成果86-87
• 致谢87

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本文编号：726143