非金屬元素?fù)诫s二氧化鈦空心球的制備及其光催化性能的研究.pdf

1、本論文針對(duì)二氧化鈦材料在實(shí)際應(yīng)用中的局限性，制備了具有中空結(jié)構(gòu)的二氧化鈦空心球。這種二氧化鈦空心球，克服了二氧化鈦材料本身的熱穩(wěn)定性隨比表面積的增大而降低的缺陷，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性和高表面積的兼容，提高二氧化鈦的實(shí)用性。同時(shí)，參照現(xiàn)有的光催化理論，對(duì)所制備二氧化鈦空心球，進(jìn)行非金屬摻雜改性，提高隨太陽光的利用率，改善其光催化降解甲醛的性能。
　　 本論文利用高分子微球制備方法簡單、產(chǎn)物單分散、微球粒徑及分布可控、表面易功能化等特點(diǎn)，以

2、P（St-HEA）微球?yàn)槟０?，將模板法與溶膠-凝膠技術(shù)相結(jié)合，以鈦酸四丁酯前驅(qū)體，制備了P（St-HEA）/TiO2核殼復(fù)合微球。再通過煅燒去除模板，最終得到銳鈦礦型的二氧化鈦空心球。然后，對(duì)所制得的二氧化鈦空心球，進(jìn)行氮、硫等非金屬元素的摻雜改性。并進(jìn)一步通過光催化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證二氧化鈦空心球的光催化性能得以改善。主要工作如下：
　　 1.采用無皂乳液聚合法，制備了P（St-HEA）單分散微球。研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)單體轉(zhuǎn)化率

3、的影響，以及引發(fā)劑用量對(duì)微球終粒徑及粒徑分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳反應(yīng)溫度為85℃，反應(yīng)2h時(shí)加入共聚單體HEA，且總反應(yīng)時(shí)間為5h為宜。當(dāng)引發(fā)劑的用量占水的用量的0.3wt％時(shí)，單體的轉(zhuǎn)化率最高，可達(dá)94.1％。并且，隨著HEA在總單體用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，P（St-HEA）微球粒徑逐漸增大，單分散性變化不大，且體系的單分散性優(yōu)越。
　　 2.以鈦酸四丁酯溶膠-凝膠為鈦前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法，以粒徑為230nm的P（St-

4、HEA）單分散微球?yàn)槟０?，首先制備了P（St-HEA）/TiO2核殼復(fù)合微球。再通過煅燒去除模板，得到銳鈦礦型二氧化鈦空心球。二氧化鈦空心球的粒徑為210nm，殼層厚度約為10nm。煅燒前的二氧化鈦空心球，殼層是疏松的、未結(jié)晶的二氧化鈦晶粒構(gòu)成的。煅燒過程中，模板的損耗直接導(dǎo)致殼層體積收縮。隨著殼層的結(jié)晶，疏松的結(jié)構(gòu)逐漸緊致。正是這兩個(gè)作用，協(xié)同導(dǎo)致二氧化鈦空心球粒徑縮小，但未影響微球的球形度和粒徑分布的均勻性。XRD結(jié)果表明，二氧化鈦

5、空心球的晶形，可通過調(diào)節(jié)煅燒溫度來控制。當(dāng)煅燒溫度為500℃時(shí)，得到銳鈦礦型的二氧化鈦；當(dāng)煅燒溫度為800℃時(shí)，得到金紅石型的二氧化鈦。
　　 3.將制備所得的二氧化鈦空心球，按一定配量與碳粉混合均勻，然后完全浸潤在水合肼（H2NNH2·H2O）中，密閉于容器中，進(jìn)行微波輻照氮摻雜改性。在相同照射時(shí)間下，摻氮后的二氧化鈦空心球，對(duì)重鉻酸鉀的降解率明顯高于摻氮前的二氧化鈦空心球，說明氮雜使二氧化鈦空心球具有更好的光催化性能。XRD

6、結(jié)果表明，摻氮前后二氧化鈦空心球都是單一的銳鈦礦晶形，微波輻照摻氮，并沒有改變二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)，也沒有產(chǎn)生晶格缺陷。XPS分析表明，氮元素以N3-的形式摻雜到二氧化鈦晶相中，樣品中N的含量為1.03％。微波輻照時(shí)間為30min時(shí)，氮雜二氧化鈦的光催化性能最好。
　　 4.采用溶膠-凝膠法，以硫脲為硫源，在鈦前驅(qū)體中引入硫元素，制備了硫摻雜二氧化鈦空心球。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜對(duì)二氧化鈦空心球的形貌及粒徑大小影響并不大，對(duì)粒徑的單分

7、散分布略有影響。XRD結(jié)果表明，硫元素的摻入，不改變二氧化鈦的晶格結(jié)構(gòu)，但摻雜改變了二氧化鈦的銳鈦礦晶形。并且二氧化鈦空心球銳鈦礦型晶粒的尺寸縮小，能保證更高的表面積，因而對(duì)二氧化鈦空心球的光催化性能的提高，起到積極的作用。通過XPS分析，證明硫元素以S4+形式摻雜到二氧化鈦晶相中，樣品中S的含量為1.91％。
　　 5.顯色液配比為4.00ml乙酰丙酮顯色液和4.00 ml甲醛標(biāo)準(zhǔn)使用液，加熱溫度為100℃，加熱時(shí)間為10mi