可见光一维纳米TiO_2/空心微珠复合材料制备与其光催化性能

摘要：在氧化物半导体材料中，纳米二氧化钛对紫外光具有很强的吸收性。在紫外光照的作用下会产生大量的电子和空穴，具有很强的氧化还原性。因其具有化学性质稳定、氧化能力强、无毒无害、便宜、催化能力强及无二次污染等优点，在废水处理、空气净化、涂料表面自清洁等领域得到了广泛的运用，成为目前在环保方面最具有广阔前景的光催化材料。但是由于纳米二氧化钛在制备时容易团聚，并且降解后很难以废液中分离回收，限制了其在光催化领域的运用。同时，二氧化钛为n型半导体，能带隙较宽，致使其只能被波长不大于387nm的紫外光激发。由于紫外光所占太阳光的比例仅为4%，故纳米二氧化钛粉体在太阳光光照下的光催化效率极低。由此，本课题组目前的探讨重点在于制备负载型纳米二氧化钛光催化剂，使得其具有良好的回收性能，同时，通过表面改性使其能够具备可见光响应。本探讨采取水解-沉淀工艺，以四氯化钛为钛源，以粉煤灰空心微珠(FMS)为载体，制备出了纳米二氧化钛颗粒包覆粉煤灰微珠复合光催化材料。探讨了粉煤灰微珠表面预处理以及制约四氯化钛水解速率对包覆情况的影响，确定了采取这一手段制备复合材料的最佳工艺条件；同时浅析了煅烧温度对二氧化钛晶型的影响及光催化效率的转变。同时，为了扩展复合材料的光响应范围，采取离子交换法处理粉煤灰微珠，在其表面沉积Ag@AgCl复合纳米粒子，制备出Ag@AgCl/FMS/TiO_2复合可见光光催化材料。基于贵金属等离子体共振原理，该复合材料在可见光光照下体现出了非常显著的光催化效果。为了进一步提升复合材料的光催化效率，采取水热法制备了一维纳米二氧化钛/粉煤灰微珠复合材料。在实验历程中，采取XRD对制备的样品进行物相浅析；采取FESEM对样品进行表面形貌的观察；采取EDS和XPS浅析了样品中微量元素的有着状态以及相互作用；采取UV-Vis漫反射对样品进行光吸收边界的测定；光催化实验采取XPA-7型光化学反应仪，实验中以橙溶液模拟有机污染物，以汞灯为紫外光光源，金卤灯模拟日光光源。探讨表明：采取水解-沉淀工艺，在粉煤灰微珠表面均匀包覆了纳米二氧化钛颗粒，随着煅烧温度的提升，纳米二氧化钛由锐钛矿相逐渐向金红石相转变，晶粒尺寸也在不断增大。经过500℃煅烧得到的锐钛矿相与金红石相的混晶结构具有最佳的光催化活性。在引入Ag@AgCl复合纳米粒子后，制备的复合材料具有了显著的可见光响应，在金卤灯光照下进行催化实验80min后即使得橙溶液的降解率达到95%以上。同时，进行了重复性实验，样品在重复利用5次以后对橙溶液的降解率依然能够达到85%，以而证实了电子-空穴的循环论述。在水热法工艺中，通过制约碱液浓度，并且对产物进行酸洗后，得到了一维纳米二氧化钛包覆粉煤灰微珠的结构，光催化实验结果表明，由于比表面积的显著增大，一维纳米二氧化钛包覆微珠复合材料的光催化效率比颗粒包覆微珠复合材料有了显著的提升，在40min的紫外光照下对橙的降解率由80%提升到99%。关键词：一维纳米二氧化钛论文粉煤灰微珠论文水解-沉淀论文Ag@AgCl论文可见光光催化论文水热法论文

摘要5-7

ABSTRACT7-9

致谢9-12

插图清单12-13

表格清单13-14

第一章 绪论14-28

1.1 纳米二氧化钛概述14-19

1.1.1 二氧化钛的晶体结构14-16

1.1.2 二氧化钛的能带16-18

1.1.3 二氧化钛光催化反应机理18-19

1.2 纳米二氧化钛的制备19-22

1.2.1 液相法19-21

1.2.2 气相法21-22

1.2.3 固相法22

1.3 纳米二氧化钛的负载技术22-23

1.3.1 负载纳米二氧化钛的载体22-23

1.3.2 负载型纳米二氧化钛的制备策略23

1.4 纳米二氧化钛的可见光响应23-25

1.4.1 贵金属沉积24

1.4.2 金属离子掺杂24

1.4.3 非金属离子掺杂24-25

1.4.4 半导体复合25

1.5 一维纳米二氧化钛的制备以及运用探讨进展25-26

1.5.1 模板-定向合成25-26

1.5.2 阳极氧化法26

1.5.3 电纺织26

1.5.4化学气相沉积(CVD)26

1.5.5 光电化学(PEC)腐蚀26

1.5.6 水热合成26

1.6 本课题探讨的目的作用和探讨的内容26-28

第二章 实验部分28-32

2.1 实验原料与仪器28

2.2 工艺流程28-29

2.2.1 粉煤灰微珠预处理流程28-29

2.2.2 粉煤灰微珠/纳米 TiO_2复合材料制备流程29

2.3 复合材料光催化活性的表征29-30

2.4 复合材料的表征30-32

第三章 纳米二氧化钛/空心微珠复合材料的制备及紫外光光催化效果浅析32-39

3.1 粉煤灰微珠的活化处理32-33

3.2 纳米 TiO_2/粉煤灰微珠复合材料的制备33

3.3 结果浅析与讨论33-37

3.3.1 微珠表面活化对二氧化钛包覆的影响33-34

3.3.2 四氯化钛溶液滴加速率对二氧化钛膜层的影响34-35

3.3.3 煅烧温度对二氧化钛晶形的影响35-36

3.3.4 光催化结果浅析36-37

3.4 本章小结37-39

第四章 Ag@AgCl/TiO_2/FMS 复合光催化材料的制备及其可见光光催化性能39-48

4.1 离子交换法处理粉煤灰微珠基底的工艺39

4.2 Ag@AgCl/FMS/TiO_2 复合光催化剂的制备39-40

4.3 样品的表面形貌观察40-41

4.4 Ag 的有着状态浅析41-44

4.4.1 XRD 浅析41

4.4.2 EDS 浅析41-43

4.4.3 XPS 浅析43-44

4.5 光催化效果的评价44-47

4.5.1 光催化剂的 UV-Vis 漫反射光谱浅析44-45

4.5.2 Ag@AgCl/FMS/TiO_2的可见光催化性能45-47

4.6 本章小结47-48

第五章 水热法制备一维纳米 TiO_2/粉煤灰微珠复合光催化材料48-53

5.1 一维纳米 TiO_2/粉煤灰微珠复合材料的制备历程48

5.2 碱液浓度对产物形貌的影响48-49

5.3 酸处理对二氧化钛形貌的影响49-51

5.4 物相浅析51

5.5 光催化实验51-52

5.6 本章小结52-53

第六章 全文总结53-55