氧化钛纤维的制备及其负载微纳米晶的研究

发布时间：2017-10-03 02:20

  本文关键词：氧化钛纤维的制备及其负载微纳米晶的研究

  更多相关文章： 氧化钛纤维 光催化性能 单晶颗粒 有机聚钛前驱体法 纤维改性

【摘要】：氧化钛具有优异的光催化性能,在污染物降解方面具有明显的优势,同时在其它领域也有广泛的应用。目前,氧化钛主要是以纳米粉和薄膜等形式应用。以这种形式应用的氧化钛存在反应之后难回收和固定技术差等缺点,限制了其在光催化技术上的使用和拓展。氧化钛纤维则可以避免上述问题。氧化钛纤维是由纳米晶组成的多晶纤维,是一种在光降解、电解水和太阳能电池等方面普遍应用的氧化物纤维。由于氧化钛纤维在光催化反应过程中,可以在溶液中自由铺展,实现对光有效吸收的同时与溶液充分接触,提高反应效率,最重要的是容易从溶液中回收以利于二次利用,所以氧化钛纤维比氧化钛纳米材料在应用上有更多的优势。本课题组采用有机聚钛前驱体法成功制备了氧化钛纤维,相关技术已经获得国家发明专利,但是早期的氧化钛纤维制备方法存在工艺复杂、原料价格昂贵、反应条件苛刻、反应时间长等问题。本论文基于有机聚钛前驱体纺丝液离心甩丝法制备氧化钛纤维,改进了氧化钛纤维的制备方法,简化了制备工艺和反应条件,并且推测了聚钛前驱体的分子结构式。通过负载具有活性面的氧化钛单晶、对氧化钛纤维进行掺杂等手段,使氧化钛纤维得到改性,提高了氧化钛纤维的光催化性能。本论文的主要研究内容如下：一、氧化钛纤维的制备为了解决目前的氧化钛纤维制备工艺复杂等问题,利用不同的前驱体,制备了具有优异光催化性能的氧化钛纤维制备了聚乙酰丙酮合钛(PAT)和聚醋酸氧钛(PET)两种氧化钛纤维的前驱体并表征其结构,推测了两者的分子结构式。分别利用PAT和PET,采用不同的反应路线,制备出了六种氧化钛前驱体纤维。相比而言,一步溶剂法合成的PAT和1:3 (MTC:MKAc)合成的PET,更易获得质量较高的氧化钛纤维。利用PAT及PET分别制备了氧化钛纤维。比较了氧化钛纤维的结晶、形貌、晶粒排布、孔径分布及光催化性能。不同前驱体制备的氧化钛纤维对MO的降解顺序如下:S1P25S3S4S2S5S6。降解效率最高的是一步法制备的PAT为前驱体的氧化钛纤维。其纤维的直径在2-5μm,晶型是锐钛矿,晶粒排布紧密。二、对氧化钛纤维进行改性,以提高它的光催化性能为了提高氧化钛纤维的光催化性能,在纤维表面负载了具有活性面的晶片和微米球,具体进行了如下几方面的探索：第一,利用PAT和PET为钛源,HF为形貌控制剂,异丙醇为协同剂,在醇热条件下制备了氧化钛单晶颗粒。PAT为钛源制备的氧化钛晶粒主要是分散的单晶片,单晶片的长度为50～80 nm,厚度为15～30 nm。PET为钛源制备的氧化钛晶粒主要是形成了单晶片组成的微米球。微米球的大小为1～3μm,组成微米球的单晶片为～100nm。第二,将单晶片的制备与氧化钛纤维相结合。分别以PAT、PET为钛源,HF为形貌控制剂,异丙醇为溶剂,在反应釜内放入氧化钛纤维,经过180℃醇热反应,得到表面负载单晶片(PAT为钛源)和微米球(PET为钛源)的氧化钛纤维。利用XRD、FE-SEM、HR-TEM、AFM等表征测试手段,证实纤维表面存在(001)晶面。选取负载之后的氧化钛纤维在350 W的汞灯下,降解亚甲基蓝溶液,它们的光催化性能较P25的光催化性能提高了3～5倍。第三,采用不同比例,向PAT中掺入Diethylenetriamine (DETA),调整组成氧化钛纤维晶粒的晶面结构。利用FE-SEM等比较了不同掺入量的氧化钛纤维的晶粒形貌,发现掺入量较高的氧化钛纤维晶粒形貌控制得更理想。但是从XRD来看,它的结晶性有所降低。三、通过提高纤维的比表面积和拓宽吸收波段来改善氧化钛纤维的光催化性能利用PAT作为钛源,硅酸四乙酯为硅源,制备了TiO2-Si纤维。与没有掺杂SiO2的氧化钛纤维的比表面积相比较,TiO2-Si纤维的比表面积提高了一倍以上。利用PAT和硝酸铁为原料,制备了TiO2-Fe纤维,其吸收波段拓宽至600nm的可见光区域。在可见光照射下,掺杂氧化铁的氧化钛纤维的光降解速率显著提局。本论文采用有机聚钛前驱体法制备了氧化钛纤维,其中,PAT一步法制备方法简单,所得纤维光催化效率高。利用PAT、PET为前驱体,在醇热条件下制备了(001)和(101)两个晶面共存的氧化钛单晶颗粒；在氧化钛纤维表面成功负载了具有活性面的单晶片和由单晶片组成的微米球,光催化性能明显提高。通过掺杂制备了两种氧化钛纤维：TiO2-Si和TiO2-Fe纤维。其中,氧化钛纤维中掺入Si02后,其比表面积明显增大；氧化钛纤维掺杂Fe203后,拓宽了其吸收波段。
【关键词】：氧化钛纤维 光催化性能 单晶颗粒 有机聚钛前驱体法 纤维改性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ343.5
【目录】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第一章 绪论17-35
• 1.1 氧化钛纤维的重要性17-20
• 1.2 氧化钛纤维的研究现状20-22
• 1.3 氧化钛的性能优化22-25
• 1.3.1 氧化钛单晶材料22-25
• 1.3.2 氧化铁和氧化硅对氧化钛的掺杂改性25
• 1.4 工作基础及研究意义25
• 1.5 研究目标、总体思路、主要内容25-27
• 1.5.1 研究目标25-26
• 1.5.2 总体思路26
• 1.5.3 主要内容26-27
• 参考文献27-35
• 第二章 氧化钛纤维的制备及性能研究35-61
• 2.1 实验部分35-36
• 2.1.1 原材料35
• 2.1.2 前驱体的制备方法35-36
• 2.2 样品表征36-37
• 2.3 结果与讨论37-47
• 2.3.1 前驱体的聚合过程37-38
• 2.3.2 前驱体溶胶的流变性能38-39
• 2.3.3 前驱体的红外及热分析39-43
• 2.3.4 前驱体粉末的核磁氢谱分析43-46
• 2.3.5 氧化钛前驱体纤维46-47
• 2.4 氧化钛纤维的制备47-54
• 2.4.1 氧化钛纤维的结晶性47-48
• 2.4.2 氧化钛纤维的形貌分析48-51
• 2.4.3 氧化钛纤维的XPS51-53
• 2.4.4 氧化钛纤维的组织结构性质及光催化性能53-54
• 2.5 本章小结54-55
• 参考文献55-61
• 第三章 活性面氧化钛晶粒及与氧化钛纤维的负载61-89
• 3.1 前言61-62
• 3.2 氧化钛单晶颗粒的制备62-68
• 3.2.1 单晶颗粒的制备62-63
• 3.2.2 样品表征63-68
• 3.3 氧化钛纤维表面负载单晶片68-73
• 3.3.1 实验过程68-69
• 3.3.2 结果与讨论69-73
• 3.4 纤维表面负载微米球73-78
• 3.4.1 实验过程73
• 3.4.2 结果与讨论73-78
• 3.5 DETA对氧化钛纤维的改性78-83
• 3.5.1 制备方法79-80
• 3.5.2 结果与讨论80-83
• 3.6 本章小结83-84
• 参考文献84-89
• 第四章 氧化钛纤维的掺杂改性89-105
• 4.1 利用有机物改善氧化钛纤维的比表面积89-92
• 4.1.1 制备89-90
• 4.1.2 表征90-92
• 4.2 氧化硅对氧化钛纤维的掺杂92-96
• 4.2.1 制备92
• 4.2.2 表征92-96
• 4.3 氧化铁对氧化钛纤维的掺杂96-100
• 4.4 本章小结100
• 参考文献100-105
• 第五章 结论及有待深入解决的问题105-109
• 5.1 主要结论105-106
• 5.2 主要创新点106-107
• 5.3 有待深入解决的问题107-109
• 致谢109-111
• 攻读博士期间发表的学术论文及专利目录111-113
• 附发表论文两篇113-126
• 附件126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 杨祝红,暴宁钟,郑仲,刘畅,何明,冯新,陆小华;用溶剂热处理法制备TiO_2纤维及其光催化降解甲基橙的活性[J];催化学报;2002年06期

2 ;ATR-FTIR and XPS study on the structure of complexes formed upon the adsorption of simple organic acids on aluminum hydroxide[J];Journal of Environmental Sciences;2007年04期

3 吴越;董庆华;查全性;;光电化学反应的催化 Ⅰ.大颗粒金岛对n-TiO_2电极上光电化学过程的催化作用[J];化学学报;1987年07期

4 陈奇;宋鹂;崔景巍;熊霞;程继健;;TiO_2纤维的制备及其凝胶结构转变的研究[J];上海建材学院学报;1995年01期

5 刘玉明;KDC法合成钛酸钾纤维的研究[J];无机材料学报;1994年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 刘秀华;金属离子掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究[D];中国工程物理研究院;2007年

，

本文编号：962612