论文部分内容阅读
一维TiO2纳米材料由于其独特的性能,受到了广泛而深入的研究,在光催化、光解水、气相催化等领域具有广泛的应用。然而一维TiO2纳米材料的比表面积低,禁带宽度宽等缺点导致光响应范围窄、量子效率低、活性位点缺乏,制约了该材料的实际应用推广。一维TiO2纳米表面异质结构可以解决上述问题。通过设计在一维TiO2纳米材料表面组装具有特殊形态的第二相,如纳米颗粒,纳米线,纳米棒或其它纳米结构,构建一维TiO2纳米表面异质结构。结果表明,精心设计的一维TiO2纳米表面异质结构既可以保存二氧化钛的固有特点,也赋予该异质结构一些新的性能,包括扩大光吸收范围到可见光甚至近红外光区域,增强光吸收强度和促进光生电子-空穴的有效分离,而广泛应用到光催化,气体传感器,太阳能电池,和生物医学等领域。本博士论文的主要研究内容如下：1.提出了一维二氧化钛纳米表面异质结构的设计原则。根据能带匹配原理,P-N节效应,表面等离子共振机理,肖特基势垒等物理机制来对一维TiO2纳米表面异质结构进行设计,通过抑制光生电子-空穴的复合,增加光吸收强度,并通过与具有可见或近红外光催化活性的光催化剂结合,拓宽光吸收范围至可见或近红外光区域,实现对太阳光全波段的有效利用。另外还根据第二相的形貌/微结构来设计一维TiO2纳米表面异质结构,包括0D金属纳米颗粒或氧化物纳米颗粒/1D TiO2纳米表面异质结构,1D纳米棒或纳米线/1D TiO2纳米表面异质结构,2D纳米片/1DTi02纳米表面异质结构,这些不同形貌和结构的第二相赋予异质结构一些新的性能。2.通过共沉淀-水热法制备了CeO2纳米颗粒/TiO2纳米带异质结构。异质结构的形成能够显著地提高TiO2纳米带的紫外与可见光催化活性。其中具有最佳光催化活性的CeO2纳米颗粒/TiO2纳米带异质结构的摩尔比为2：12。CeO2纳米颗粒/TiO2纳米带异质结构光催化性能的提高可以归因于它的污染物分子捕获-光催化-释放的降解机理。首先,污染物分子被异质结构的表面上的CeO2纳米颗粒迅速捕获,然后在紫外或可见光照射下降解,最终降解产物被释放到外部环境中。3.采用光还原法和液相法在TiO2纳米带表面构建了RuO2/TiO2和Ru/TiO2纳米带异质结构。合成的Ru02和Ru纳米颗粒均小于3nm,并且均匀分布在Ti02纳米带表面上。RuO2/TiO2和Ru/TiO2纳米带异质结构都具有优异的紫外与可见光催化效果,明显高于TiO2纳米带和P25。结果表明半导体负载的能带匹配和贵金属负载的肖特基势垒对于紫外与可见光催化的提高具有明显的促进作用。最后,我们考察了RuO2/TiO2和Ru/TiO2纳米带异质结构的气相催化效果,发现它们都具有较好的催化氧化苯甲醇成苯甲醛的转化率和选择性。4.以Ti02纳米带为基体,使用水热法合成了三维Bi2MoO6纳米片/Ti02纳米带异质结构。合成的异质结构具有优异的紫外与可见光催化降解有机污染物的性能。经过80min的可见光照射,甲基橙的降解率能够达到90.4%；经过40min的紫外光照射,甲基橙的降解率几乎达到100%。另外,这种异质结构还具有良好的光解水产氧效率(产氧量为0.668mmol h-1g-1)快速的光电流响应(70uA/cm2)。光催化性能的提高可以归因于Bi2MoO6纳米片/Ti02纳米带异质结构的三维多孔的表面结构,大的比表面积,和能带匹配的异质结构,从而有效促进电荷的有效转移和抑制光生电子-空穴的复合,提高了光催化降解污染物和光解水产氧的效率。5.通过水热法首次制备出具有近红外光催化效果的Bi2WO6纳米片,发现其近红外光催化效果源于Bi2WO6纳米片中氧缺陷的存在。在Ti02纳米带表面负载Bi2WO6纳米片,构建了Bi2WO6纳米片/Ti02纳米带异质结构。这种异质结构具有优异的太阳光全波段(紫外,可见与近红外)光催化活性。在紫外光下,Bi2WO6纳米片作为电子吸收剂捕获Ti02的光致电子提高光催化活性。在可见和近红外光下,Bi2WO6纳米片的可见和近红外光的吸收,赋予Bi2WO6纳米片/Ti02纳米带异质结构的可见和近红外光催化活性,而这种异质结构本身也保持了Ti02良好的紫外光催化性能。最后,研究了Au纳米棒对Bi2WO6纳米片的近红外光催化的增强效应,通过构建Au纳米棒/Bi2WO6纳米片异质结构,Au纳米棒的表面等离子基元效应和增强近红外光的吸收来改善Bi2WO6纳米片的近红外光催化效果。6.分别用氢气退火和硼氢化钠还原对Ti02纳米带进行改性,制备了氢化Ti02纳米带和还原Ti02纳米带,研究了他们的紫外与可见光催化性能。这两种方法并没有改变Ti02纳米带的形貌,但是导致了Ti02纳米带内部大量氧缺陷的生成。氧缺陷的存在既有利于可见光吸收的增强,也能够有效抑制光生电子-空穴的复合,从而改善了Ti02纳米带的紫外与可见光催化性能。然后通过水热-液相法,将碳量子点负载到氢化TiO2纳米带的表面上,构建了碳量子点/氢化TiO2纳米带异质结构。该异质结构具有太阳光全波段(紫外,可见与近红外)的光催化催化活性。首先氢化TiO2纳米带中的氧缺陷有利于促进可见光的吸收,同时,碳量子的上转换的荧光性质使碳量子点/氢化TiO2纳米带异质结构能够吸收近红外光而进行光催化。综上所述,本毕业论文采用水热法合成了一维TiO2纳米材料,并设计和构建一维TiO2纳米表面异质结构,研究其在光催化、光解水和气相催化等领域的应用。基于一维纳米材料的表面异质结构包括CeO2纳米颗粒/TiO2纳米带异质结构,Ru纳米颗粒/TiO2纳米带,RuO2纳米颗粒/TiO2纳米带异质结构,Bi2MO6纳米片/TiO2纳米带异质结构,Bi2WO6纳米片/TiO2纳米带异质结构和碳量子点/氢化TiO2纳米带等异质结构,研究比较异质结构对于一维纳米材料性能的影响,并探讨相关机理。