一維納米TiO2復(fù)合材料的水熱生長及其光催化性能研究.pdf

1、本論文是以鈦酸丁酯為原料，通過溶膠-凝膠法對納米TiO2進行摻雜復(fù)合改性，并通過水熱處理成功合成一維納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合材料。所以本課題不僅通過摻雜復(fù)合改性，還通過改變其形貌增加比表面積，來提高納米TiO2的光催化性能。文中系統(tǒng)的研究了煅燒溫度、稀土Tb摻雜量、電氣石復(fù)合量對溶膠-凝膠法制備的納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合顆粒的晶型、形貌及光催化性能的影響。同時考察了水熱反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、堿溶液濃度、煅燒溫度、稀土Tb摻量和

2、電氣石含量等因素對水熱處理合成的一維納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合材料形貌及光催化性能的影響，并對一維 Tb/電氣石/TiO2納米線、納米管、納米帶的水熱生長機理分別進行探討；同時分別對電氣石、稀土提高TiO2光催化活性影響機理進行研究，得出稀土Tb最佳摻雜量和電氣石的最佳復(fù)合量。結(jié)果表明：
　?。?）通過對溶膠-凝膠法制備的納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合顆粒工藝的研究：當(dāng)煅燒溫度為500℃時，純納米TiO2降解率最優(yōu)為50.2％

3、，納米Tb/TiO2復(fù)合顆粒降解率最優(yōu)為75.1%，納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合顆粒降解率最優(yōu)為85.3%，此時稀土摻雜量為0.50%，電氣石復(fù)合量為0.5wt%，晶粒尺寸為8.9nm。
　?。?）煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復(fù)合對納米TiO2顆粒的光催化性能影響如下：當(dāng)煅燒溫度為500℃時，納米Tb/TiO2復(fù)合顆粒和納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合顆粒均為純銳鈦礦相，隨著煅燒溫度的升高，比表面積降低，銳鈦礦相向金紅石相轉(zhuǎn)變；

4、稀土Tb的摻雜延遲晶型轉(zhuǎn)變，提高TiO2的熱穩(wěn)定性，此外還能抑制TiO2晶粒的生長；電氣石復(fù)合并未破壞納米TiO2銳鈦礦晶型結(jié)構(gòu)。結(jié)果說明合適的煅燒溫度，適量稀土和電氣石的協(xié)同作用能有效的提高納米TiO2光催化性能。
　?。?）通過對水熱法處理納米Tb/電氣石/TiO2復(fù)合顆粒的工藝研究表明：水熱反應(yīng)時間為24h，堿溶液濃度為10mol/L，當(dāng)水熱溫度控制在140℃，可得到結(jié)構(gòu)完整，管徑為5.3nm的Tb/電氣石/TiO2納米管；

5、當(dāng)水熱溫度控制在180℃，可得到直徑約為10nm左右，長徑比較長的Tb/電氣石/TiO2納米線；當(dāng)水熱溫度控制在200℃，可得到寬厚比大于10，直徑大約為400nm，厚度為150nm左右表面光滑的Tb/電氣石/TiO2納米帶。
　?。?）水熱溫度、NaOH堿溶液濃度、水熱時間、煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復(fù)合對一維納米TiO2復(fù)合材料形貌的影響如下：隨著水熱溫度提高，產(chǎn)物由納米管到納米線再到納米帶；隨著NaOH濃度的升高，水熱產(chǎn)

6、物的維度降低，總體生長趨勢是向多維空間的；隨著反應(yīng)時間進行，產(chǎn)物趨于向穩(wěn)定的形貌狀態(tài)生長；隨著煅燒溫度的升高，高溫會破壞一維結(jié)構(gòu)，變成較大的團聚顆粒狀；稀土鋱和電氣石的添加量對一維納米TiO2的形貌影響很小。
　?。?）水熱處理、煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復(fù)合對一維納米TiO2復(fù)合材料光催化性能的影響如下：水熱處理對納米 TiO2的晶型有一定的影響，水熱處理后純金紅石相納米TiO2轉(zhuǎn)為銳鈦相納米TiO2，且一維納米材料具有更大

7、的孔體積和比表面積，對目標降解物的吸附能力大大提高；過高的煅燒溫度會破壞一維結(jié)構(gòu)，降低光催化活性；電氣石復(fù)合與稀土Tb的摻雜協(xié)同能延遲晶型轉(zhuǎn)變，抑制 TiO2晶粒的生長，增大比表面積，吸收光譜的閾值波長發(fā)生紅移。
　?。?）溶膠-凝膠法制備的復(fù)合顆粒與水熱處理制得的一維復(fù)合材料進行對比如下：經(jīng)過水熱處理制得的一維復(fù)合材料XRD特征峰很大程度的增高，表明水熱處理結(jié)晶質(zhì)量不斷提高，TiO2晶面厚度在不斷生長。兩種方法制備的復(fù)合粉末中，

8、鋱離子摻雜和電氣石復(fù)合均提高了其光催化性能，電氣石具有永久電極性，能減少空穴電子對的復(fù)合，電氣石與TiO2之間Si-O鍵的鍵合作用增強了這種協(xié)同作用，同時電氣石與稀土的協(xié)同作用可以有效提高復(fù)合材料的光催化性能。
　?。?）無論是鋱離子的摻雜還是電氣石的復(fù)合均有一個最佳值，結(jié)論如下：鋱離子摻雜量為0.50%時降解率最佳，過多的稀土摻雜可能并未結(jié)合成鍵，只是簡單的浸漬復(fù)合，所以隨著稀土含量增多，降解率反而下降；電氣石復(fù)合量為0.5wt