納米TiO-,2-表面結(jié)構(gòu)對(duì)其光生電荷分離和光催化性能的影響.pdf

1、納米TiO2由于其廉價(jià)、無毒、無污染和氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在光催化等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。但由于其太陽(yáng)光利用率較低及自身光生載流子易復(fù)合等缺陷限制了光催化技術(shù)的實(shí)用化。本論文采用表面活性劑修飾、形態(tài)調(diào)控、磷酸后處理和復(fù)合金屬離子摻雜4種途徑來改性納米TiO2光催化劑，試圖通過改變其表面結(jié)構(gòu)和形態(tài)而改善光生電荷分離狀況，進(jìn)而提高其光催化活性。 在表面活性劑修飾過程中，主要利用陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(DBS)對(duì)TiO2進(jìn)行表面

2、修飾，主要考察了DBS表面修飾對(duì)納米TiO2光催化氧化降解氣相n-C5H12反應(yīng)的活性和壽命的影響，并主要利用表面光電壓譜(SPS)和熒光光譜(PL)等方法研究了DBS表面修飾的改性機(jī)制。結(jié)果表明：表面修飾DBS分子基團(tuán)能夠抑制TiO2納米微晶生長(zhǎng)、促進(jìn)納米TiO2分散、增強(qiáng)吸附性和提高光生電荷分離，以至于光催化活性顯著提高。但壽命并沒有下降，這與TiO2和DBS基團(tuán)的光穩(wěn)定性有關(guān)。動(dòng)力學(xué)研究表明，TiO2光催化氧化n-C5H12反應(yīng)遵

3、循Langmuir-Hinshelwood動(dòng)力學(xué)模型，為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)。 在低溫酸性水熱條件下，以陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2納米晶的形態(tài)調(diào)控，重點(diǎn)考察了反應(yīng)條件如CTAB濃度、pH值、水熱溫度和時(shí)間等對(duì)TiO2納米晶生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：適量的CTAB分子能夠在低溫條件下誘導(dǎo)納米TiO2沿<001>方向擇優(yōu)化生長(zhǎng)，并表現(xiàn)出動(dòng)力學(xué)控制的生長(zhǎng)機(jī)理。與未加入CTAB的球形TiO2相比，擇優(yōu)

4、化生長(zhǎng)的TiO2具有較大的比表面積和較高的光生電荷分離效率以至于提高了光催化活性。此外，由于CTAB分子的修飾作用，所制備的TiO2納米粒子能夠直接分散在有機(jī)體系中，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。 通過浸漬過程實(shí)現(xiàn)H3PO4對(duì)納米銳鈦礦相TiO2的后處理，重點(diǎn)研究了H3PO4修飾對(duì)納米銳鈦礦相TiO2的熱穩(wěn)定性及光催化活性的影響。結(jié)果表明，H3PO4修飾顯著地提高了納米銳鈦礦相TiO2熱穩(wěn)定性，甚至經(jīng)過800℃熱處理后仍然具有以銳鈦礦

5、相為主的相組成。光催化測(cè)試表明，經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼倪m量H3PO4修飾的TiO2表現(xiàn)出了優(yōu)越于國(guó)際商品P25-TiO2的活性。這主要是因?yàn)楦叩慕Y(jié)晶度有利于光生電荷分離及比表面積較大有關(guān)。以La(稀土金屬)和Zn(過渡金屬)為金屬元素的代表，利用溶膠一水熱法實(shí)現(xiàn)對(duì)納米TiO2進(jìn)行復(fù)合金屬離子摻雜的改性。重點(diǎn)考察金屬離子的引入對(duì)納米TiO2相變過程的影響，尤其是探討在相同相組成的條件下結(jié)晶度對(duì)其光生電荷分離及光催化活性的影響。結(jié)果表明，La和Z

6、n兩種離子的引入抑制了相轉(zhuǎn)變過程，前者抑制作用要比后者大。在含有少量金紅石而以銳鈦礦相為主的TiO2樣品中，結(jié)晶度越高，其光催化活性越高，這主要與其表面缺陷少而有助于光生電荷分離有關(guān)。 以上系統(tǒng)研究表明，納米TiO2的表面結(jié)構(gòu)、形態(tài)和晶相組成等能夠綜合影響TiO2光生電荷的分離狀況，進(jìn)而影響光催化活性。因此可通過調(diào)控以上諸因素來實(shí)現(xiàn)對(duì)納米TiO2的有效改性。此外，也證明了SPS是一種有效地反映TiO2光生電荷分離狀況的工具，從而