论文部分内容阅读
现代工业的发展带来了日益严重的环境污染问题,越来越多的科研工作者致力于环境污染的问题的解决。自1972年半导体二氧化钛光降解污染物的性能被发现以来,该技术不断得到关注和进一步开发。二氧化钛具有稳定的物理和化学性质,无毒环保,且具有高效的紫外光活性,且成本低廉,是一种非常有前景的光催化材料,当前已达到初步工业化应用。然而,二氧化钛材料的一些固有缺陷也在抑制其进一步发展应用,例如,其带隙较宽和较高的光生电子空穴复合率,以及传统Ti02材料的光响应范围仅限于紫外光波段（仅占光谱能量的5%）,大部分的太阳光不能被有效利用。为扩宽光谱响应范围,调整带隙并抑制电子和空穴复合,提高光催化活性,本研究设计制备了一系列新型Ti02纳米材料,并应用于光催化降解水污染物的反应中。从制备高效二氧化钛纳米线、加入碳材料和第二金属组分与二氧化钛形成高效异质结构三方面出发,本论文主要设计了三类二氧化钛基复合光催化材料,从不同方面提高二氧化钛材料的光催化性能。一、首先,我们运用静电纺丝方法制备了具有良好结构稳定性和较高比表面积的二氧化钛纳米线,并通过不同条件的退火处理获得了具有不同锐钛矿／金红石（A/R）比例的两相二氧化钛纳米线,并将该纳米线材料应用于紫外光催化降解水溶液中的甲基橙,测试其催化性能。在催化反应测试中,我们发现由改变退火条件获得的不同A/R比例,对二氧化钛的光催化性能有显著的影响。我们以甲基橙的转化频率（TOF）来表征二氧化钛的本证活性,发现随着退火温度升高A/R逐渐增大,而催化剂的TOF先增后减,在A/R=83/17（退火温度为650℃）时,TOF=2394h-1,达到最高值。同比目前商业化的二氧化钛催化剂P25（A/R=85/15）,两者A/R相近,但650℃退火的二氧化钛纳米线本征活性为P25（TOF=1175-1）的两倍。通过紫外漫反射和荧光寿命等测试,我们发现二氧化钛纳米线相比P25有更好的抑制电子和空穴复合效果,因而获得了更好的光催化活性。二、其次,我们将多壁碳纳米管（MWCNT）与钛前驱体（Ti（OC4H9）4）混合,使用微波辅助的合成方法,制备了MWCNTs-TiO2纳米复合催化剂。通过XRD和TEM表征发现,该催化剂的二氧化钛具有锐钛矿晶相结构却与MWCNT结合较好。将复合催化剂应用于光催化降解甲基橙的反应中,发现该催化剂不仅有很好的紫外光催化活性,在可见光作用下,也有很高的甲基橙催化转化效率。实验结果表明,MWCNT的引入不仅能够增强催化剂对底物的吸收,而且能拓宽光相应范围。三、最后,我们还设计并制备了一种新型的三元复合Ag/AgCl/TiO2（B）纳米片催化剂。其中,TiO2（B）纳米片的片状结构有助于电荷转移,从而促进光生电子和空穴的分离；而Ag/AgCl组分能促进可见光吸收并产生等离子增强效应。我们用两步法制备出了这种三元催化剂,先通一个可控的多相沉积过程可在TiO2（B）纳米片复合一定量的AgCl纳米小方块,然后利用原位紫外光还原的方法,可将AgCl纳米小方块表面的部分AgCl还原成Ag纳米颗粒,从而获得具有异质结构的Ag/AgCl/TiO2（B）三元催化剂。在制备该催化剂的过程中,我们发现在第一步中通过调变C1离子的添加速率,能有有效调控AgCl纳米小方块的大小,实现直径从50到300纳米范围内的改变。所制备的Ag/AgCl/TiO2（B）三元催化剂具有非常显著的可见光响应,能可见光作用下对甲基橙的快速高效降解,实现了我们设计这一催化剂的目的。