基于TiO2納米棒陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)調(diào)控及其增強(qiáng)光催化降解苯的研究.pdf

1、飛速發(fā)展的人類工業(yè)文明使得越來越多的化工制品被用于制造家具、裝飾性材料中，或用來配制油漆等涂料。在這些化學(xué)原料中，苯作為粘合劑有著最為廣泛的應(yīng)用，但隨之而來的問題是，苯自身毒性較高，是一種典型的致癌物質(zhì)，它在室溫下會(huì)緩慢的揮發(fā)，可以通過皮膚和呼吸道進(jìn)入人體，且在人體內(nèi)極其難以降解，在漫長的時(shí)間內(nèi)對(duì)人體健康造成極大的危害。在室內(nèi)空氣污染的治理中，TiO2通過光催化幾乎可以分解所有對(duì)人體和環(huán)境有害的有機(jī)污染物和部分無機(jī)污染物，包括苯，這些特

2、性使得TiO2在光催化治理室內(nèi)污染物方面有著極大的研究價(jià)值與應(yīng)用前景。
　　不過，傳統(tǒng)的 TiO2光催化多為納米顆粒，這種形式的 TiO2因?yàn)榱孔有?yīng)能夠提供高活性的電子與極大的比表面積，但是過高的表面能使得TiO2納米顆粒容易團(tuán)聚，導(dǎo)致比表面積的下降與晶界處光生載流子的復(fù)合。且粉末間較弱的機(jī)械結(jié)合力使TiO2納米顆粒的負(fù)載較為困難，限制了其實(shí)際應(yīng)用。而以FTO導(dǎo)電玻璃為模板，采用水熱法合成的單晶TiO2納米棒陣列，這種陣列結(jié)構(gòu)避

3、免了納米顆粒易團(tuán)聚的特點(diǎn)，便于實(shí)際負(fù)載應(yīng)用，且該納米棒的單晶結(jié)構(gòu)也有利于光生電荷的分離。
　　本文通過改變合成溶液中鹽酸的濃度，成功的調(diào)控了TiO2納米棒陣列的疏密度。XRD與TEM的表征結(jié)果顯示，TiO2納米棒為單晶結(jié)構(gòu)，且納米棒頂部暴露面為高活性的（002）面，納米棒陣列排布密度越高，暴露的（002）面就越多。然而，該TiO2納米棒陣列光催化降解苯的活性并非是隨著（002）的增多而增強(qiáng)。紫外可見吸收與光電流測(cè)試表明棒陣列過密與

4、過稀的排布都不利于對(duì)光的吸收，而中等密度排布的納米棒陣列由于光陷作用對(duì)光可以多次反射以增強(qiáng)吸收，產(chǎn)生更多的載流子，獲得較好的光催化活性。這說明對(duì)于具有有序結(jié)構(gòu)的陣列而言，光吸收相比于外露晶面是一個(gè)更重要的影響因素。
　　之后，本文利用納米棒之間的空間，采用低溫化學(xué)浴的方法，在納米棒的表面原位復(fù)合生長了TiO2的納米顆粒，使得原本光滑的納米棒側(cè)面變成了絨面，增強(qiáng)了光吸收。另外，納米顆粒在光激發(fā)下產(chǎn)生的電子因量子效應(yīng)有較高的能量，能以

5、單晶 TiO2納米棒作為高速通道遷移至 FTO導(dǎo)電玻璃上，有效的與空穴發(fā)生分離，從而獲得光催化活性的提升。不過納米顆粒在TiO2納米棒陣列的底部易產(chǎn)生堆積，引入晶界導(dǎo)致光生電子與空穴的復(fù)合。
　　為了避免納米顆粒復(fù)合產(chǎn)生的堆積效果，本文采用電紡技術(shù)在TiO2納米棒陣列的上層空間復(fù)合TiO2納米纖維的疊層異質(zhì)結(jié)，可惜紫外可見吸收測(cè)試表明這種結(jié)構(gòu)不利于對(duì)光的吸收，而且納米纖維自身由多晶納米顆粒組成，電子在從納米纖維向單晶納米棒傳輸?shù)倪^

6、程中需要經(jīng)過大量的晶界，這就對(duì)電子的能量要求更高，而且在晶界處易與空穴復(fù)合，對(duì)光催化活性的提升十分有限，對(duì)納米棒的底層空間也沒有有效利用。
　　最后，本文采用溶劑熱的方法，用二維的BiOCl納米片與TiO2納米棒陣列復(fù)合構(gòu)筑了三維網(wǎng)絡(luò)狀的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用了 TiO2納米棒陣列的上層與下層空間，還避免了在TiO2納米棒陣列底部的堆積。雖然紫外可見吸收測(cè)試表明這種結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收有一定的削弱，但是 BiOCl自身的內(nèi)建電場(chǎng)和單晶結(jié)構(gòu)屬

7、性，以及 BiOCl與TiO2恰當(dāng)?shù)哪軒ヅ涫掷陔娮釉谄鋬?nèi)部向FTO導(dǎo)電玻璃遷移，實(shí)現(xiàn)與空穴的有效分離。另外，BiOCl表面的氧空位也作為電子捕獲中心，對(duì)電子有陷阱作用，也促進(jìn)了光生電子與空穴的分離。多種因素共同作用，使BiOCl/TiO2三維異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出了優(yōu)異的光催化活性，且在重復(fù)測(cè)試后其性能保持不變。
　　綜上所述，本文首先對(duì)TiO2納米棒陣列自身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善了光催化活性，并揭示了陣列的有序結(jié)構(gòu)對(duì)光吸收的增強(qiáng)作用大