FTO基底上TiO2納米線陣列合成與修飾及其光催化性能研究.pdf

1、近幾年,以TiO2納米材料為核心的應用不斷增加。在一些重要領域,如能量產(chǎn)生,累積,保存以及環(huán)境污染物降解中一些很具潛力的技術都是以TiO2納米材料為基礎的TiO2作為一種n型半導體材料,由于特殊的光響應性質(zhì),引起了科學家們的廣泛興趣。尤其是低維尺寸的TiO2納米材料,例如納米線和納米管,更是在最近得到了極大地關注。TiO2納米線陣列依賴于形貌的獨特的物理、化學、光電性質(zhì),使其在環(huán)境可持久性有機污染物質(zhì)的處理技術中具有重要意義。在本工作中

2、,具體研究內(nèi)容如下所列:
　　(1)采用兩步溶劑熱合成法成功實現(xiàn)了在FTO導電玻璃表面生長TiO2納米線陣列。由XRD、SEM、TEM表明TiO2納米線陣列為金紅石型,具有較高的垂直定向性以及對FTO良好的附著能力。TiO2納米線長度為0.4-0.8μm,直徑為10nm-20nm。通過BET測試表明,通過該方法合成的TiO2納米線陣列擁有比P25更大的比表面積,使其對污染物質(zhì)具有更好的吸附能力,從而促進了TiO2納米線表面光催化反

3、應的進行。
　　(2)通過光致還原法成功合成了Ag/TiO2納米線陣列復合材料。從TEM影像圖可以觀察到TiO2納米線表面的Ag納米顆粒分布均勻,且尺寸小于10nm。通過EDX和XPS能量彌散譜圖證明Ag單質(zhì)與Ag+共同存在于TiO2納米線的表面。在紫外-可見漫反射吸收中,復合材料在可見光區(qū)有明顯的吸收峰,這是由Ag納米粒子的等離子共振效應引起的,從而使復合材料具有較好的光敏性;同時復合材料在Cr(VI)的光還原應用中表現(xiàn)出了優(yōu)異

4、的光催化活性:當體系中酒石酸濃度為24mM時,在可見光照射的條件下,復合材料對Cr(VI)的光還原速率為476.2μg/L min-1 cm-2,且當酒石酸濃度為80mM時,反應速率達到一個飽和值1000μg/L min-1 cm-2。實驗證明,復合材料在pH=2的強酸性環(huán)境下,對Cr(VI)具有高光催化還原活性;相反,在堿性環(huán)境中,復合材料對Cr(VI)無任何光催化還原活性。除此之外,高離子強度也會明顯抑制復合材料對Cr(VI)的光催

5、化還原活性。動力學研究表明復合材料對 Cr(VI)的光催化還原符合擬一級反應動力學模型,但與粉體的均勻分散不同使得反應分為兩個階段,且后段的反應速率常數(shù)遠遠大于初始階段。在對復合材料的光催化機理的研究中,通過實驗和分析不同小分子有機酸的結構差異,發(fā)現(xiàn)了具有對稱結構以及p-π共軛效應的酒石酸使復合材料展現(xiàn)出最高的光催化活性,并建立了對應的光催化機理模型。通過測試表明,生長在FTO導電玻璃上的Ag/TiO2納米線陣列復合材料具有良好的循環(huán)利

6、用性能。
　　(3)采用H2O2原位氧化法成功合成了Ag3PO4/TiO2納米線陣列復合材料。通過TEM影像圖可以觀察到TiO2納米線表面的Ag3PO4納米顆粒分布均勻,且尺寸極小,大約只有2nm左右。通過EDX表征復合材料的化學元素組成,證明了在TiO2納米線的表面存在的極小顆粒為Ag3PO4。對復合材料進行Mott-schottky曲線電化學測試,表明復合材料薄膜具有了p型半導體的性質(zhì)。在光電流測試中,復合材料相比未負載的Ti

7、O2納米線陣列具有更大的光電流密度,其大小為0.06mA/cm2。同時復合材料的吸收邊在紫外可見漫反射吸收測試中表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象。這些都表明復合材料具有更小的帶隙能(2.7ev)和更高的光敏性,從而能夠產(chǎn)生更多的光生載流子。選擇RhB來表征Ag3PO4/TiO2納米線陣列復合材料的光催化性能。實驗證明:強酸性環(huán)境有利于復合材料對RhB的光催化氧化,而且復合材料在24mM的酒石酸體系中,展現(xiàn)出了比無酒石酸存在時高的多的光催化活性。動力