納米二氧化鈦基功能復(fù)合材料的研究及制備.pdf

1、近年來(lái),二氧化鈦納米材料以其獨(dú)特的物理、化學(xué)性能,在許許多多的領(lǐng)域發(fā)揮著其不可忽視的作用,其添加作為日用化妝品重要原料之一的應(yīng)用、作為處理大氣、水環(huán)境污染的光催化處理材料、作為微量重金屬離子的吸附還原回收處理材料以及用作太陽(yáng)能電池作為光電轉(zhuǎn)化功能材料等方面的使用應(yīng)用等,均扮演著重要的角色。然而,納米二氧化鈦在上述現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出了不同的問(wèn)題:在用作水處理材料、重金屬處理材料時(shí)易于團(tuán)聚成塊、同其他基體材料分離進(jìn)而沉降,很大程度上影響其

2、實(shí)際效果應(yīng)用;在用作光催化劑材料應(yīng)用方面,其禁帶較寬、激發(fā)能量較高、量子產(chǎn)率低,僅能在紫外、近紫外區(qū)吸收能量,實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng),且在分散體系中團(tuán)聚不易分散,這些問(wèn)題都造成了其量子效率較低,太陽(yáng)能利用率低等科學(xué)技術(shù)難題,很大程度上制約著其廣泛普及應(yīng)用。針對(duì)所述缺陷,為達(dá)到二氧化鈦與其他材料的有效混合、在體系中有著良好的分散,其作為n型半導(dǎo)體光催化劑使用時(shí),提高其光電轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化鈦表面上接枝的功能大分子的類別及分子量的有效控制等

3、,本人研究生期間的主要研究工作包括:
　　1.針對(duì)半導(dǎo)體 TiO2作為光催化劑時(shí),其光生電子-空穴對(duì)復(fù)合嚴(yán)重、禁帶寬度較大、在水環(huán)境體系中分散性差等問(wèn)題,對(duì)納米 TiO2進(jìn)行表面有效修飾:在大量研究對(duì) TiO2光催化劑的不同改性處理方法的基礎(chǔ)上,受染料敏化處理方法的影響,結(jié)合通過(guò)多巴胺(4-(2-乙胺基)苯-1,2-二酚)化學(xué)鍵形式接枝到納米 TiO2表面,進(jìn)而通過(guò)與2-溴代異丁酰溴的酰胺反應(yīng),構(gòu)造能夠進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移自由基聚合( A

4、TRP)反應(yīng)的大分子引發(fā)劑,在納米 TiO2表面通過(guò)引發(fā) ATRP聚合反應(yīng),可控性地接枝親水性聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA),制備得到具備可見(jiàn)光響應(yīng)的 TiO2功能復(fù)合材料。我們通過(guò) FTIR、XPS、TGA、SEM、UV-vis(紫外-可見(jiàn)吸收光譜儀)等分析測(cè)試方法,對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、接枝的 PGMA的含量以及最佳吸收波長(zhǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)定。其中 FTIR光譜、XPS光譜結(jié)合分析表明,納米TiO2表面功能性基團(tuán)的修飾成功,以及A

5、TRP大分子引發(fā)劑的合成成功;通過(guò) TGA分析證明 ATRP反應(yīng)的可控合成;SEM圖像能夠顯示出 TiO2基納米功能材料的外觀形貌特征;UV-vis光譜分析表明我們合成的納米功能材料吸收波長(zhǎng)“紅移”,最佳吸收波長(zhǎng)由379 nm-1增至415 nm-1;通過(guò)對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的實(shí)際光催化分解,我們能看出改性納米 TiO2基光催化功能材料光催化效率的顯著提高。
　　2.受金屬沉積改性、金屬離子注入摻雜,對(duì)納米二氧化鈦的修飾研究的啟發(fā),在(

6、1)中合成的有機(jī)無(wú)機(jī)功能材料 TiO2-PGMA的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)納米二氧化鈦表面接枝的大量聚甲基丙烯酸縮水甘油酯所含環(huán)氧基團(tuán)進(jìn)行了開(kāi)環(huán)反應(yīng),進(jìn)而引入功能性金屬離子配位吸附官能團(tuán)氨基三氮唑( NH2-trz)基團(tuán),利用三氮唑基團(tuán)很強(qiáng)的配位能力,抓取捕獲金屬離子,通過(guò)硼氫化鈉作為還原劑對(duì)金屬離子進(jìn)行充分還原,實(shí)現(xiàn)納米 TiO2光催化劑表面的金屬富集,對(duì)光生空穴-光生電子進(jìn)行濃度調(diào)節(jié),延緩光生空穴、電子的復(fù)合,提高其光催化效率。我們通過(guò) FT

7、IR對(duì)環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)進(jìn)行了觀測(cè),環(huán)氧基團(tuán)特征峰在991 cm-1、906 cm-1消失表明環(huán)氧鍵的斷裂。我們通過(guò) FTIR對(duì)環(huán)氧基團(tuán)的開(kāi)環(huán)反應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)督控制,通過(guò) SEM圖像對(duì) TiO2基納米功能材料的形貌特征進(jìn)行了有效觀察;通過(guò)對(duì)比其與TiO2-ph-PGMA材料在光催化降解亞甲基藍(lán)和甲基橙溶液時(shí)的催化效率,并對(duì)之后的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提出了建議。
　　3.針對(duì)納米 TiO2作為高性能水環(huán)境催化處理劑及重金屬離子的吸附還原回收處

8、理材料應(yīng)用使用過(guò)程中,存在的成膜困難,以至于分散效果差、處理能力受限、重金屬回收效果差、回收再利用困難等缺陷,我們尋找一種耐腐蝕、耐氣候、能成膜處理的高分子材料聚偏氟乙烯( PVDF)作為我研究的基體膜材料,通過(guò)堿化處理構(gòu)造了表面雙鍵基團(tuán)。繼而引發(fā)改性過(guò)的 PVDF粒子與親水性的甲基丙烯酸縮水甘酯( GMA)單體以及接枝了KH-570(γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷)的 TiO2改性粒子三者的自由基聚合反應(yīng),反應(yīng)得到含有環(huán)氧鍵的功

9、能粒子 TiO2-PGMA-PVDF.進(jìn)而加入造孔劑聚乙烯吡咯烷酮( PVP),在 N,N-二甲基乙酰胺( DMAc)中成膜。通過(guò)膜材料表面的環(huán)氧基團(tuán)與金屬離子吸附功能材料三氮唑的反應(yīng),對(duì)所得膜材料進(jìn)行功能化改性,制備得到穩(wěn)定的功能膜材料,實(shí)現(xiàn)納米 TiO2在載體上的固定和負(fù)載。同時(shí),針對(duì) TiO2在作為化妝品主要添加劑時(shí),其容易沉降脫落的缺陷,我們嘗試將化妝品中的主要三種成份通過(guò)合適的反應(yīng)路線,以化學(xué)鍵的方式結(jié)合在一起,在保證其物理美