二氧化钛纳米材料的合成、表征及其光催化性能研究

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在全球性环境污染日趋严重的今天,如何高效地治理环境污染引起世界各国的广泛关注。具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化剂的制备与应用,已成为材料学、化学、环境科学和能源科学等领域广泛关注和研究的热点课题,而二氧化钛作为一种性能稳定的高效光催化剂,相对价格较低,具有高的化学稳定性,光生空穴高的氧化性及光生电子足以使分子氧转化为超氧化物等一系列的优点,使其成为目前研究最为广泛和深入的半导体材料之一,而纳米二氧化钛所具有的小尺寸和高比表面积又赋予其相对其块体材料更高的催化活性。本论文将纳米级二氧化钛作为研究对象,通过液相法制备了具有不同形貌的纳米二氧化钛及其复合材料,探讨了反应参数对产物形貌与微结构的影响,并对纳米二氧化钛的光催化性能进行了研究。(1)用水热法对硫酸钛碱性浆液进行处理,由氨水调节前驱体浆液的pH值合成了锐钛矿结构二氧化钛纳米棒,氨水自身及其对前驱体浆液pH值的调节均对锐钛矿二氧化钛纳米棒的形成起关键作用;通过改变pH调节剂(氢氧化钠、水合联氨),可获得不同形貌和物相结构的二氧化钛纳米粒子。实验证明氨基的存在有利于锐钛矿结构二氧化钛的形成,并在实验基础上提出了成核、晶体生长、定向聚集生长的形成机理。(2)以硫酸钛为原料,用溶胶凝胶法结合水热处理,高产率地制备了宽几十纳米长十几微米的二氧化钛纳米带,利用XRD,TEM,HRTEM,TGA等手段对样品进行了表征,并对其光催化性质进行了表征。结果表明不同于以往所报道的单晶纳米袋,带本实验中所制备的纳米带呈现出典型的多晶结构,同一条纳米带中包含三种物相的二氧化钛,这种新结构纳米带的合成为纳米材料的制备提供了一种新途径。(3)TiO2由于具有化学稳定性好、光催化活性高、价廉易得等优点,已被广泛应用于光催化降解各种污染物,但是TiO2的带隙较宽,且光生电子空穴对的复合几率高。因而限制了其应用。所以提高TiO2光催化活性是多相光催化领域的一个重要研究内容。众多研究结果表明,在TiO2等半导体表面沉积适量的Ag、Pt、Au等贵金属及其离子是提高光催化剂活性的一种有效方法。本文中利用硝酸银作为银源,氨水调节体系pH值,葡萄糖为还原剂,使银粒子在二氧化钛纳米棒表面被还原而形成银纳米粒子,通过XRD,TEM,SEM,UV-Vis等对其进行表征,表明通过调节Ag和二氧化钛的比例可控制银纳米粒子的粒径为3-4nm至20nm左右。光谱分析表明其吸收带边与二氧化钛纳米棒相比有不同程度的红移,并对苯酚的分解表现出优异的光催化性质,在光催化方面有潜在的应用前景。
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