一維TiO2基光催化材料的靜電紡絲制備及其性能研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)前困擾人類可持續(xù)發(fā)展的兩大難題，大量不可再生化石能源的消耗產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染，改變能源消耗結(jié)構(gòu)，發(fā)展可再生清潔能源是廣大科研工作者必須面臨的挑戰(zhàn)。眾所周知，太陽(yáng)能是最理想的可再生清潔能源，然而太陽(yáng)能的密度較低很難直接利用，將低密度的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成可直接利用的高密度清潔化學(xué)能是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效途徑。1972年，日本科學(xué)家Fujishima和Honda報(bào)道利用半導(dǎo)體二氧化鈦電極實(shí)現(xiàn)了光催化分解水產(chǎn)氫，隨后，

2、Inoue等報(bào)道在水溶液中利用半導(dǎo)體粉末將溫室氣體CO2光催化還原成可利用的碳?xì)淙剂?，半?dǎo)體光催化技術(shù)已成為利用太陽(yáng)能的重要手段之一。TiO2光催化劑由于廉價(jià)，無(wú)毒，化學(xué)惰性以及長(zhǎng)時(shí)間的光穩(wěn)定性受到廣泛研究，然而其光催化效率不高，光響應(yīng)范圍窄是制約其實(shí)際應(yīng)用的主要因素。光催化效率不高主要是因?yàn)槠渚哂休^高的光生電子和空穴復(fù)合率，光響應(yīng)范圍窄是因?yàn)門(mén)iO2的禁帶寬度較寬，研究提升其光催化性能是目前研究熱點(diǎn)。本論文主要集中于一維TiO2復(fù)合材

3、料的靜電紡絲制備及其光催化產(chǎn)氫和還原CO2性能研究。
　　第一，利用同軸靜電紡絲技術(shù)得到了TiO2納米管。紡絲過(guò)程中，外層紡絲前驅(qū)體溶液主要是鈦酸四丁酯，聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液，內(nèi)層紡絲前驅(qū)體溶液為石蠟油；煅燒過(guò)程中，內(nèi)層石蠟油揮發(fā)，外層含Ti前驅(qū)體晶化成TiO2即得到了TiO2納米管。隨后在TiO2納米管表面沉積Cu2O和Ag制備了TiO2-Ag-Cu2O三元復(fù)合光催化劑。對(duì)得到的樣品進(jìn)行光催化產(chǎn)氫測(cè)試發(fā)現(xiàn)：TiO2-Ag-C

4、u2O復(fù)合光催化劑比TiO2, TiO2/Ag和TiO2/Cu2O展現(xiàn)了更好的光催化產(chǎn)氫性能，樣品TiO2-Ag-Cu2O的性能是純的TiO2納米管的62倍，在365nm光照下，量子效率為2.3％。TiO2-Ag-Cu2O三元體系中Ag的表面等離子共振效應(yīng)改變了Cu2O和TiO2間的電荷轉(zhuǎn)移方式，通過(guò)一系列的表征技術(shù)，提出了一種不同于一般異質(zhì)結(jié)的雙Z-型的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，這種雙Z-型電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)了光生電子和空穴分離同時(shí)保留了光生電子和空穴

5、更高的還原氧化能力。
　　第二，利用靜電紡絲技術(shù)制備了碳納米纖維。紡絲過(guò)程中，紡絲前驅(qū)體溶液為溶解聚丙烯腈（PAN）的氮氮二甲基甲酰胺（DFM）溶液，隨后通過(guò)兩步煅燒過(guò)程得到碳纖維。得到的碳纖維置于強(qiáng)酸溶液中表面活化后通過(guò)水熱的方法在其表面原位生長(zhǎng)了TiO2納米晶粒。該復(fù)合材料形成了一種碳纖維@TiO2核殼結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行光催化還原CO2性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其性能是單純的水熱制得的TiO2的2.3倍。通過(guò)相應(yīng)表征發(fā)現(xiàn)，性能提升可以歸因于以