基于二氧化钛的纳米材料的制备、表征和应用

发布时间：2018-03-04 07:22

本文选题：二氧化钛　切入点：碳纳米管　出处：《华中科技大学》2013年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：二氧化钛是一种优秀的半导体材料,具有很多良好特性,例如无毒无害,化学性质稳定,高化学及表面活性,合适的能带,较高的光电转换效率,制备成本低廉,在能源和环保领域具有很广泛的应用前景。虽然对于二氧化钛的研究已经取得不少成果,但是依然存在很多有待解决的问题。比如太阳能有效利用率不高,量子产率低,难以从催化体系中分离,锐钛矿型结构热稳定性差等。通过对二氧化钛进行改性处理可以有效解决上述难题。本文主要研究了通过复合不同功能材料来对二氧化钛进行改性处理及其形貌,结构,组成,表面化学等表征。同时也研究了改性二氧化钛作为光催化剂和固体酸在环境保护和生物能源方面的应用。论文完成的工作如下： (1)通过氧化处理,制备了表面改性碳纳米管,通过透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射、Zeta电位、拉曼和红外光谱等系列表征研究了碳纳米管的形貌,结构和表面特性。结果表明,碳纳米管经过修饰处理以后,去除了杂质,缠绕情况得到减轻,部分管壁表面受到侵蚀,端口被打开,并且具有丰富的功能基团。 (2)采用改良溶胶凝胶法制备了碳纳米管负载的二氧化钛复合物。对复合物进行了扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射、紫外可见吸收光谱、Zeta电位、X射线光电子能谱和红外光谱等系列表征。结果表明,500℃煅烧处理以后,二氧化钛为锐钛矿型结构,而且均匀负载在碳纳米管表面。光谱研究显示碳纳米管和二氧化钛之间存在相互作用,碳纳米管的加入改善了二氧化钛光生电子空穴对的复合情况。和改性前相比,二氧化钛的光响应范围扩展到可见光区。通过光降解甲基橙实验检测碳纳米管-二氧化钛复合物的光催化活性。结果表明,复合物的光催化活性好于单纯的二氧化钛颗粒,而且遵循一级动力学方程。可见光条件下240分钟,紫外光条件下100分钟光催化反应后,甲基橙被彻底降解。优化实验表明,碳纳米管含量为5%的复合物,经过500℃煅烧以后,在酸性条件下具有最高的光催化活性。经过4次可见光和紫外光条件下的循环使用以后,复合物催化甲基橙的脱色率分别为89%和95%。 (3)采用溶胶凝胶法制备了尺寸可控的氧化硅纳米颗粒,探索了不同制备条件,例如醇种类,正硅酸乙酯(TEOS)和氨水用量等,对氧化硅形貌结构的影响。通过扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射和红外光谱等系列手段对样品进行了表征。 (4)制备了氧化硅-二氧化钛复合物。对复合物进行了扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射、比表面积/孔径分布、Zeta电位和红外光谱等系列表征。结果表明,尺寸为10nm左右的锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒均匀负载在氧化硅表面。当煅烧温度为600℃,金红石型二氧化钛所占比例为10.28%。二氧化钛外壳厚度随着反应时间逐渐变大,从6小时的40nm增加到24小时的160nm左右。通过光降解甲基橙实验检测复合物的光催化活性,同时研究了催化剂制备条件和反应条件对降解的影响。结果表明,氧化硅含量为10%的复合物,经过500℃煅烧以后,在酸性条件下具有最高的光催化活性(ka=0.042min-1)。 (5)采用直接水解法制备了氧化钻颗粒,并对其进行了扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射和X射线荧光能谱等系列表征。 (6)制备了氧化锆-二氧化钛复合物。对复合物进行了扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线粉末衍射系列表征。通过光降解罗丹明B检测复合物的光催化活性。 (7)采用改良的溶胶凝胶法制备了氧化锆-二氧化钛复合固体酸,并通过红外光谱、X射线粉末衍射和Hammett指示剂进行了表征。通过酯化反应检测了固体酸的催化活性,同时研究了催化剂制备条件和反应条件对酯化反应的影响。结果表明,氧化锆含量为16.1%的固体酸,经过500℃煅烧以后,在反应温度为130℃,催化剂用量为5%,反应时间为4小时,醇油摩尔比为15的条件下具有最佳的酯化效果。在连续反应6次以后,固体酸催化剂的酯化效率降低到66%左右。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.08

【参考文献】