TiO2納米管陣列基光催化材料的制備與性能研究.pdf

1、TiO2具有高效、無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是目前最好的光催化材料之一。與傳統(tǒng)的納米晶TiO2比較,通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化鈦片法制備的TiO2納米管陣列的比表面積大,其高度有序的管道結(jié)構(gòu)有利于光生載流子的分離,且易于將其它無(wú)機(jī)或有機(jī)窄帶半導(dǎo)體材料沉積到TiO2納米管中,從而改善其對(duì)可見(jiàn)光的吸收,提高其量子效率。本博士論文在新型TiO2納米管陣列基光催化材料的制備與{001}面暴露的TiO2改性方面作了一些有益的探索。具體工作如下:
　

2、　 第一,傳統(tǒng)的TiO2光催化劑具有優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性,但需要紫外光的激發(fā)才有活性,因此嚴(yán)重限制了它的實(shí)際應(yīng)用范圍。故有必要研制能高效利用太陽(yáng)光中可見(jiàn)光部分的光催化劑。本研究工作中,我們先將AgCl納米粒子沉積到有序的TiO2納米管中,然后用氙燈照射將AgCl粒子表面的部分Ag+還原為Ag0,從而制備了一種新型的可見(jiàn)光等離子體光催化劑,即,Ag／AgCl／TiO2納米管陣列。這種金屬-半導(dǎo)體納米復(fù)合等離子體光催化劑在降解水中的甲基橙時(shí)

3、顯示出高的可見(jiàn)光活性和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,提出了一種新的等離子體光催化機(jī)理,即,由于Ag納米粒子具有等離子體響應(yīng),在可見(jiàn)光照射下,Ag納米粒子上的電子被激發(fā)并轉(zhuǎn)移到TiO2導(dǎo)帶上,同時(shí)電子給體(Cl-)上的電子轉(zhuǎn)移到Ag納米粒子以補(bǔ)償其損耗的電子,從而實(shí)現(xiàn)了光生載流子的有效分離。羥基自由基實(shí)驗(yàn)和瞬時(shí)光電流響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了該光催化機(jī)理的正確性。本研究為設(shè)計(jì)和制備新型可見(jiàn)光光催化劑提供了一條新的思路。
　　 第二,通過(guò)

4、浸漬-水解法將BiOI涂覆在自組裝TiO2納米管陣列的管壁上制備了p-n結(jié)BiOI／TiO2納米管陣列。用X-射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、X射線光電子能譜和紫外可見(jiàn)漫反射光譜對(duì)所制備的樣品進(jìn)行了表征。通過(guò)在可見(jiàn)光(λ>400nm)下降解水中的甲基橙來(lái)檢測(cè)樣品的光電催化活性。通過(guò)多次循環(huán)通電-斷電間隙光照實(shí)驗(yàn)測(cè)定了樣品的暫態(tài)光電流響應(yīng)。結(jié)果表明,在可見(jiàn)光區(qū)的強(qiáng)吸收性能、p-n結(jié)和外電場(chǎng)協(xié)同作用的影響下,BiOI／TiO2異質(zhì)結(jié)納米管陣列

5、膜的可見(jiàn)光光電催化活性高于單一的純BiOI和TiO2納米管陣列膜。暫態(tài)光電流實(shí)驗(yàn)確證了所提出的光電催化機(jī)理的正確性。
　　 第三:在含有Na2SO4、H3PO4、NaF和檸檬酸鈉的混合溶液中,通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化鈦片法成功制備了高度有序的TiO2納米管陣列薄膜,然后分別用煅燒、蒸汽熱、水熱處理使其晶化。用XRD、SEM和XPS表征了所制備的樣品。通過(guò)在紫外-可見(jiàn)光光照下降解水中的甲基橙來(lái)檢測(cè)樣品的光催化活性。以對(duì)苯二甲酸作為探測(cè)分

6、子,用熒光光譜檢測(cè)了在紫外-可見(jiàn)光光照下樣品表面產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)。通過(guò)循環(huán)通電-斷電間隙光照實(shí)驗(yàn),測(cè)定了樣品的暫態(tài)光電流響應(yīng)。結(jié)果表明后處理方法對(duì)二氧化鈦陣列膜的形貌、結(jié)晶度和光催化活性有很大的影響。煅燒和蒸汽熱對(duì)二氧化鈦納米管陣列的形貌和結(jié)構(gòu)沒(méi)有大的影響,而水熱處理后,納米管陣列結(jié)構(gòu)完全被破壞,并完全轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)聚的銳鈦礦顆粒。與煅燒和水熱法處理的樣品比較比較,蒸汽熱處理的膜具有更好的光催化活性。因?yàn)槭?蒸汽熱處理的膜比煅燒處理

7、的膜具有更高的結(jié)晶度,同時(shí)與水熱處理的膜比較,蒸汽熱處理的膜又能保持管狀結(jié)構(gòu),因此高結(jié)晶度和管狀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用導(dǎo)致其具有最高的光催化活性。
　　 第四,以Tic作為二氧化鈦的前驅(qū)體和碳源,在HNO3-HF混合水溶液中,通過(guò)水熱處理碳化鈦制備了新型碳自摻雜的{001}面暴露的二氧化鈦微米片。研究結(jié)果表明,TiC中的碳自摻雜進(jìn)入了銳鈦礦微米片的晶格中。在可見(jiàn)光(λ>420nm)照射下,通過(guò)降解水溶液中的甲基藍(lán)檢測(cè)了碳自摻雜二氧化鈦微