發(fā)布時間：2020-11-16 23:04

　　 光催化是光化學(xué)反應(yīng)的一個前沿領(lǐng)域,它能使許多在通常情況下難以實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)可以在比較溫和的條件下進行。二氧化鈦是當(dāng)前最理想的光催化材料,它的優(yōu)點是：光照后不發(fā)生光腐蝕,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,降解有機物徹底,不產(chǎn)生二次污染,對生物無毒性。 結(jié)晶態(tài)二氧化鈦的可控制備是二氧化鈦光催化技術(shù)實用化的基礎(chǔ)。制備二氧化鈦通常以鈦醇鹽和四氯化鈦作為鈦前驅(qū)體,這有兩個不利因素：一是這兩種鈦前驅(qū)體對水分極其敏感,因而反應(yīng)速度、產(chǎn)物的尺寸和形貌不易控制；二是反應(yīng)產(chǎn)物通常為無定形二氧化鈦,其必須經(jīng)過高溫煅燒才能轉(zhuǎn)化為具有光活性的結(jié)晶態(tài)二氧化鈦,然而,高溫煅燒通常會造成硬團聚、表面去羥基化、分離相等不利影響。水熱法雖可直接制備出結(jié)晶態(tài)二氧化鈦,但其需要高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境。此外,二氧化鈦光催化技術(shù)在凈水及治理環(huán)境污染領(lǐng)域應(yīng)用還必須解決回收問題。固定化或負(fù)載技術(shù)雖然能有效回收二氧化鈦但其以犧牲二氧化鈦的光催化效率為代價�；�于以上考慮,我們提出以六氟鈦酸銨作為鈦前驅(qū)體制備形貌和晶相均可控的二氧化鈦光催化材料,并將其組裝以使其兼?zhèn)涓吖獯呋�活性和易回收性能。本論文的主要研究�?nèi)容如下： 1.氟摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的尿素均勻沉淀法制備及性能研究 液相中六氟鈦酸銨和尿素在83-100℃反應(yīng)30 min成功制備出銳鈦礦二氧化鈦微球。二氧化鈦微球由大量的球狀一次納米粒子組裝而成,可通過沉降或過濾回收。反應(yīng)時間為30 min,反應(yīng)溫度由83℃升高至100℃后,二氧化鈦微球尺寸減小結(jié)晶度提高。反應(yīng)溫度為83-100℃,反應(yīng)時間由30 min延長至120 min后,微球結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌進而轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄐ谓Y(jié)構(gòu),一次納米粒子由球形轉(zhuǎn)變?yōu)榧忓N形并且尺寸增大。分析表明氟離子原位摻入了二氧化鈦晶格,而且微球表面吸附有銨根和氟離子。 二氧化鈦微球在可見光區(qū)無明顯光吸收。在365 nm紫外光激發(fā)下,二氧化鈦微球具有良好的光催化性能。 2.氟鐵共摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的尿素均勻沉淀法制備及性能研究 在制備氟摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的基礎(chǔ)上,向反應(yīng)液中加入三氯化鐵成功制備出氟鐵原位共摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球。微球處于高度分散狀態(tài),尺寸為400-700nm。鐵摻雜量為3.0 at.%及低于該值的粉體為銳鈦礦二氧化鈦,鐵摻雜量高于3.0at.%的粉體為由銳鈦礦相二氧化鈦和氧化鐵所組成的混合物。氟鐵共摻雜二氧化鈦微球在可見光區(qū)有強吸收,并且隨著鐵摻雜量的增加而增強。光催化性能測試表明鐵摻雜具有雙重效應(yīng),其既能促進二氧化鈦中光生載流子的分離,延長載流子壽命,又會成為載流子的復(fù)合中心,鐵摻雜對二氧化鈦光催化性能的影響是這兩種效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在紫外光激發(fā)下,二氧化鈦微球的光催化性能隨著鐵摻雜量的增大而增強,氟和3.0 at.%鐵共摻雜二氧化鈦微球具有優(yōu)異的光催化性能,其能在15分鐘內(nèi)幾乎將甲基橙完全降解。在可見光激發(fā)下,二氧化鈦微球的光催化性能隨著鐵摻雜量的增大而下降。氟摻雜二氧化鈦微球在可見光激發(fā)下具有比氟和鐵共摻雜二氧化鈦微球更優(yōu)異的光催化性能。 3.氟摻雜米粒狀銳鈦礦二氧化鈦納米粒子的液相合成及性能研究 將氨水、氫氧化鈉或四甲基氫氧化銨溶液滴入被加熱到90℃的六氟鈦酸銨溶液中均可制備出米粒狀銳鈦礦相二氧化鈦納米粒子。納米粒子分散性良好,尺寸為100-150 nm。二氧化鈦納米粒子晶格中含有氟離子,表面吸附有銨根和氟離子,無可見光吸收。空氣中500℃煅燒2h后納米粒子仍然為銳鈦礦相二氧化鈦,其所含的吸附水和結(jié)晶水以及吸附在表面的銨根幾乎被完全去除,結(jié)晶度提高并具有可見光吸收。沉淀劑的性質(zhì)及用量對二氧化鈦納米粒子的光催化性能有很大影響。以氫氧化鈉為沉淀劑液相中直接沉積出的二氧化鈦納米粒子在紫外光激發(fā)下5分鐘內(nèi)對甲基橙的降解率達到80%,15分鐘內(nèi)幾乎將甲基橙完全降解；在可見光激發(fā)下,60分鐘內(nèi)其幾乎將甲基橙完全降解。 4.石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料的液相自組裝及性能研究 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料具有特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu),在太陽能電池、敏感元器件以及光催化領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。以六氟鈦酸銨為鈦源,采用尿素均勻沉淀法,通過使銳鈦礦二氧化鈦納米粒子在石墨烯氧化物片層上異質(zhì)形核并原位生長成功組裝出石墨烯氧化物/二氧化鈦納米復(fù)合材料,再通過水合肼還原進一步制備出石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料。二氧化鈦納米粒子能抑制石墨烯氧化物以及石墨烯片層團聚。石墨烯氧化物以及石墨烯均能促進二氧化鈦中光生載流子的分離,但機制不同。石墨烯性質(zhì)類似金屬,其通過在與二氧化鈦結(jié)合處產(chǎn)生肖特基勢壘促進二氧化鈦中光生載流子的分離。石墨烯氧化物扮演著電子受體的角色,其接收二氧化鈦導(dǎo)帶中的光生電子而被還原成石墨烯。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2010
【中圖分類】：O643.36
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 二氧化鈦的結(jié)構(gòu)與性能
    1.3 與粒子尺寸相關(guān)的相穩(wěn)定性
    1.4 二氧化鈦光催化原理
    1.5 影響二氧化鈦光催化活性及光催化反應(yīng)速率的因素
2晶相的影響'>        1.5.1 TiO₂晶相的影響
        1.5.2 粒徑的影響
        1.5.3 晶格缺陷的影響
        1.5.4 二氧化鈦添加量的影響
        1.5.5 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及光吸收的影響
        1.5.6 反應(yīng)液中添加劑的影響
        1.5.7 PH值和吸附的影響
    1.6 二氧化鈦的合成
        1.6.1 氯化法
        1.6.2 硫酸法
        1.6.3 醇鹽法
    1.7 增強二氧化鈦光催化活性及效率的方法
        1.7.1 摻雜
        1.7.2 貴金屬沉積
        1.7.3 復(fù)合半導(dǎo)體
        1.7.4 表面敏化
        1.7.5 物理法增強二氧化鈦的光催化活性及效率
    1.8 碳材料/二氧化鈦復(fù)合光催化劑
    1.9 二氧化鈦光催化劑的應(yīng)用
        1.9.1 光催化處理廢水
        1.9.2 光催化自潔效應(yīng)
        1.9.3 防霧功能
        1.9.4 光催化滅菌
    1.10 本論文的研究內(nèi)容和意義
第二章 實驗方法與數(shù)據(jù)處理
    2.1 實驗材料與試劑
    2.2 試驗用主要儀器設(shè)備
    2.3 結(jié)構(gòu)表征
        2.3.1 掃描電子顯微鏡
        2.3.2 X射線衍射
        2.3.3 X射線光電子譜
        2.3.4 紅外光譜
        2.3.5 紫外-可見吸收光譜
        2.3.6 熒光光譜
        2.3.7 透射電子顯微鏡
    2.4 性能測試
        2.4.1 有機染料光降解測試
        2.4.2 羥基自由基測試
第三章 氟摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的制備及性能研究
    3.1 引言
    3.2 氟摻雜二氧化鈦微球的制備方法
    3.3 銳鈦礦二氧化鈦粉體液相一步合成
    3.4 銳鈦礦二氧化鈦粉體的形貌
    3.5 銳鈦礦二氧化鈦微球的形成機制
    3.6 明膠對二氧化鈦微球形貌的影響
    3.7 氟摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的光學(xué)吸收譜
    3.8 熱處理對二氧化鈦微球晶體結(jié)構(gòu)及組分的影響
    3.9 氟摻雜銳鈦礦二氧化鈦微球的X射線光電子譜分析
    3.10 氟摻雜二氧化鈦微球在不同PH值溶液中的分散穩(wěn)定性
    3.11 氟化鈉對二氧化鈦微球形貌及性能的影響
    3.12 硫脲對二氧化鈦微球形貌及性能的影響
    3.13 本章小結(jié)
第四章 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的制備及性能研究
    4.1 引言
    4.2 實驗方法
        4.2.1 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的制備
        4.2.2 光催化實驗
        4.2.3 樣品的命名
    4.3 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的晶體結(jié)構(gòu)與形貌
    4.4 高溫煅燒對粉體組成及表面結(jié)構(gòu)的影響
    4.5 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的X射線光電子譜分析
    4.6 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的光學(xué)吸收譜
    4.7 氟鐵共摻雜二氧化鈦微球的光催化性能
    4.8 本章小結(jié)
第五章 氟摻雜二氧化鈦納米粒子的制備及性能研究
    5.1 引言
    5.2 實驗方法
        5.2.1 銳鈦礦相二氧化鈦納米粒子的制備
        5.2.2 光催化性能測試
    5.3 二氧化鈦粉體的晶體結(jié)構(gòu)和形貌
    5.4 二氧化鈦納米粒子的X射線光電子譜分析
    5.5 熱處理對二氧化鈦納米粒子晶體結(jié)構(gòu)及表面成分的影響
    5.6 二氧化鈦納米粒子的光學(xué)吸收譜
    5.7 二氧化鈦納米粒子的紫外光光催化活性
    5.8 二氧化鈦納米粒子的可見光光催化活性
    5.9 本章小結(jié)
第六章 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備及性能研究
    6.1 引言
    6.2 實驗部分
        6.2.1 石墨氧化物的制備
        6.2.2 石墨烯氧化物/二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備
        6.2.3 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備
        6.2.4 光催化氧化性能測試
    6.3 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料的自組裝
    6.4 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料分散液的光學(xué)性質(zhì)
    6.5 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料分散液的鹽效應(yīng)
    6.6 石墨烯/二氧化鈦納米復(fù)合材料的光活性
    6.7 本章小結(jié)
第七章 結(jié)論
參考文獻
致謝
攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文
作者簡歷

【共引文獻】

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本文編號：2886769