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、無毒、化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點,是目前最好的光催化材料之一。與傳統(tǒng)的納米晶TiO2比較,通過電化學陽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構有利于光生載流子的分離,且易于將其它無機或有機窄帶半導體材料沉積到TiO2納米管中,從而改善其對可見光的吸收,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,因此嚴重限制了它的實際應用范圍。故有必要研制能高效利用太陽光中可見光部分的光催化劑。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光等離子體光催化劑,即,Ag／AgCl／TiO2納米管陣列。這種金屬-半導體納米復合等離子體光催化劑在降解水中的甲基橙時

3、顯示出高的可見光活性和穩(wěn)定性。通過對實驗結果的分析,提出了一種新的等離子體光催化機理,即,由于Ag納米粒子具有等離子體響應,在可見光照射下,Ag納米粒子上的電子被激發(fā)并轉移到TiO2導帶上,同時電子給體(Cl-)上的電子轉移到Ag納米粒子以補償其損耗的電子,從而實現了光生載流子的有效分離。羥基自由基實驗和瞬時光電流響應實驗進一步證實了該光催化機理的正確性。本研究為設計和制備新型可見光光催化劑提供了一條新的思路。
　　 第二,通過

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漫反射光譜對所制備的樣品進行了表征。通過在可見光(λ>400nm)下降解水中的甲基橙來檢測樣品的光電催化活性。通過多次循環(huán)通電-斷電間隙光照實驗測定了樣品的暫態(tài)光電流響應。結果表明,在可見光區(qū)的強吸收性能、p-n結和外電場協(xié)同作用的影響下,BiOI／TiO2異質結納米管陣列

5、膜的可見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)光電流實驗確證了所提出的光電催化機理的正確性。
　　 第三:在含有Na2SO4、H3PO4、NaF和檸檬酸鈉的混合溶液中,通過電化學陽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。通過在紫外-可見光光照下降解水中的甲基橙來檢測樣品的光催化活性。以對苯二甲酸作為探測分

6、子,用熒光光譜檢測了在紫外-可見光光照下樣品表面產生的羥基自由基(·OH)。通過循環(huán)通電-斷電間隙光照實驗,測定了樣品的暫態(tài)光電流響應。結果表明后處理方法對二氧化鈦陣列膜的形貌、結晶度和光催化活性有很大的影響。煅燒和蒸汽熱對二氧化鈦納米管陣列的形貌和結構沒有大的影響,而水熱處理后,納米管陣列結構完全被破壞,并完全轉變?yōu)閳F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。因為是,蒸汽熱處理的膜比煅燒處理

7、的膜具有更高的結晶度,同時與水熱處理的膜比較,蒸汽熱處理的膜又能保持管狀結構,因此高結晶度和管狀結構的協(xié)同作用導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體和碳源,在HNO3-HF混合水溶液中,通過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。研究結果表明,TiC中的碳自摻雜進入了銳鈦礦微米片的晶格中。在可見光(λ>420nm)照射下,通過降解水溶液中的甲基藍檢測了碳自摻雜二氧化鈦微