二氧化鈦納米材料的制備、改性及光催化性能的研究.pdf

1、隨著工業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的顯著提高，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，因此如何應(yīng)對(duì)該問題成為當(dāng)務(wù)之急。廣泛的研究表明，半導(dǎo)體催化劑在太陽能儲(chǔ)存與利用、光催化轉(zhuǎn)換技術(shù)及有機(jī)污染物處理等方面，有著誘人的前景。TiO2因其無毒、價(jià)格低廉易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光催化活性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛研究并應(yīng)用在光催化、太陽能電池、抗菌，自清潔等領(lǐng)域。尤其在光催化降解有機(jī)污染物方面的研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。但是，作為半導(dǎo)體光催化劑，TiO2存在自身的兩大缺陷:其一，禁

2、帶較寬，銳鈦礦TiO2的帶隙能為3.2eV，僅在波長(zhǎng)小于387.5nm的紫外光處有響應(yīng)，而這部分光僅占太陽光的3％，所以太陽能利用率低;其二，光激發(fā)TiO2產(chǎn)生的電子和空穴對(duì)極易復(fù)合。所以，如何擴(kuò)寬其對(duì)光的吸收光譜，以及如何降低光致電子和空穴對(duì)的復(fù)合率成為對(duì)TiO2材料研究的重點(diǎn)。目前報(bào)道的關(guān)于改性TiO2來提高其光催化活性的方法已有很多，較為常見的方法有離子摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合、貴金屬沉積等方法。近年來，除了對(duì)TiO2改性來提高其活性外，

3、制備高活性晶面較多的TiO2又成為了一大新的熱點(diǎn)。本文通過制備石墨烯和TiO2復(fù)合物以及制備高活性晶面占主導(dǎo)的銳鈦礦TiO2來制備活性較高的TiO2，為此我們主要做了以下工作:
　　利用傳統(tǒng)的Hummers法制備了氧化石墨烯和還原的氧化石墨烯。采用水熱法制備了石墨烯和鈦酸鹽納米管復(fù)合物，并經(jīng)燒結(jié)處理得到石墨烯和TiO2的復(fù)合材料。在實(shí)驗(yàn)過程中研究了燒結(jié)溫度對(duì)納米管形貌及其光催化活性的影響，同時(shí)也探討了石墨烯的含量對(duì)樣品形貌及光催化

4、活性的影響。通過X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等對(duì)其晶型、形貌、元素狀態(tài)等進(jìn)行了一系列表征。結(jié)果表明:復(fù)合物的主要成分是鈦酸鹽，無光催化活性。熱處理后樣品呈現(xiàn)銳鈦礦晶型，隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品結(jié)晶度逐漸提高。同時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，管形貌逐漸遭到了破壞，還原氧化石墨烯也由較大的納米片變?yōu)檩^小的碎片結(jié)構(gòu)。石墨烯的含量對(duì)納米管的形成并沒有影響，但其對(duì)光催化劑的光催化活

5、性有一定影響。適當(dāng)?shù)氖┛商岣叽呋瘎┑幕钚裕谑┖繛?％，燒結(jié)溫度450℃樣品具有較高的光催化活性。
　　采用水熱法，利用HF作為形貌和晶面控制劑，制備出高活性晶面(001)所占比例較大的TiO2納米片。通過XRD、TEM、XPS等測(cè)試對(duì)TiO2納米片的晶型、形貌、元素狀態(tài)等進(jìn)行了一系列表征。探討了HF用量對(duì)納米片形貌及活性的影響，HF用量為0.4mL、0.6mL、0.8mL時(shí)所制備的TiO2納米片的(001)晶面的含量分

6、別為84％、87％和93％，納米片的邊長(zhǎng)為24nm、31nm和36nm，但納米片的厚度均為6、7nm。HF用量對(duì)樣品表面氟的含量影響并不大，利用TiO2納米片對(duì)羅丹明B進(jìn)行了光催化降解，結(jié)果表明，(001)晶面的含量越高樣品的光催化活性就越好。用氫氧化鈉溶液對(duì)納米片進(jìn)行了清洗，樣品表面的氟被部分去除，但清洗后樣品的形貌、物相和(001)晶面的含量并沒有變化，分別利用TiO2納米片和用氫氧化鈉清洗后的納米片對(duì)甲基橙、羅丹明B、甲基紫等多種

7、染料進(jìn)行了紫外光催化降解，結(jié)果表明，表面氟離子有利于催化劑催化活性的提高，這是因?yàn)榉哂斜妊醺鼜?qiáng)的電負(fù)性，可與水分子形成氫鍵，因而樣品表面會(huì)吸附大量的水，促進(jìn)了空穴對(duì)水的氧化生成大量的羥基自由基，從而提高了TiO2的活性。
　　利用水熱法制備出了石墨烯和TiO2納米片復(fù)合物，復(fù)合物中納米片邊長(zhǎng)大約幾十納米，但是其片的形狀不是很規(guī)則，樣品為銳鈦礦TiO2。TiO2納米片是分散在氧化石墨烯片上的，但團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重。通過可見光下對(duì)亞甲