壳中核结构二氧化钛/硫化镉纳米光催化剂研究

摘要

水污染和能源危机日益严重，水污染处理与清洁能源替代问题亟待解决。光催化技术因其环保高效、无二次污染等特点引起研究者广泛关注。二氧化钛(TiO2)因其价格低廉，化学稳定性好而被广泛应用于光催化过程，然而TiO2只对紫外光响应，对太阳光利用率低。硫化镉(CdS)窄带隙结构使其具有良好的可见光响应性，对太阳能利用率高，然而，其在催化过程中易发生光腐蚀，降低光催化活性，产生次生污染。目前，核壳结构因其独特结构及优异性能在催化领域已得到日益重视。 本文借助壳中核和纤维结构，结合CdS与TiO2各自性能优势，拓宽了TiO2光响应范围，使CdS免于发生光腐蚀，增强了光催化活性，并且产品以纤维形式应用，提高了可回用性能。分别制备了具有光催化功能壳中核结构CdS@void@TiO2纳米微球(nanospheres，NSPs)及其纳米纤维膜(nanofiber film，NFF)，对其晶相、微观结构形貌、热力学性能、光学性能及抗腐蚀性能等进行表征并对其降解和产氢性能进行了研究。 首先，通过溶剂热法合成CdS核，经氧化聚合法在CdS粒子表面形成聚吡咯(PPy)层(CdS@PPy)，以钛酸丁酯作为钛源、聚乙二醇(PEG-20000)作为成孔剂，经溶胶凝胶法制备多层壳结构的硫化镉@聚吡咯@钛酸(CdS@PPy@H4TiO4)，通过烧蚀移除PPy中间层和PEG，形成中间空层和多孔TiO2外壳，得到壳中核结构CdS@void@TiO2纳米微球(NSPs)。结果表明，CdS@void@TiO2 NSPs禁带宽度为2.9 eV，能对200-550 nm区域的光进行响应。经可见光辐照3h后，CdS@void@TiO2 NSPs对染料降解率达93.72％，产氢量高达1893.5 umol·g-1·h-1。TiO2壳可有效保护CdS，显著减少了光腐蚀现象，且中间空层结构可提供更多的活性位点来提高光催化剂降解性能和产氢性能。 其次，为克服NSPs在后续使用时难回收问题，以聚丙烯腈(PAN)为成纤载体，采用静电纺丝法将NSPs制成纳米纤维膜NFF。经高温烧蚀和气相沉积法移除PAN并在NFF表面包覆PPy，获得CdS@void@TiO2-PPy NFF。结果表明，CdS@void@TiO2-PPy NFF能对200-800 nm区域的光进行响应。经可见光辐照3h后，CdS@void@TiO2-PPy NFF对染料降解率达95.78％，产氢量高达654.73umol·g-1·h-1，展现了优异的降解和产氢性能，且其形态方便回收利用，在环境保护和清洁能源生产方面展现了较好应用前景。

目录

声明

摘要

第一章前言

1．1背景介绍

1．1．1染料废水

1．1．2能源危机

1．2光催化降解技术研究现状

1．3光催化制氢技术研究现状

1．4 TiO2光催化剂研究进展

1．5 CdS光催化剂研究进展

1．6核壳结构材料简介

1．7静电纺丝技术简介

1．7．1静电纺丝装置

1．7．2静电纺丝应用

1．7．3影响因素

1．8课题的提出

1．8．1研究目的

1．8．2研究内容

第二章理论基础

2．1半导体光催化机理

2．2半导体光腐蚀机理

2．2．1光腐蚀产生原因

2．2．2抑制光腐蚀方法

2．3半导体能带宽度

2．4多孔结构材料吸附理论

第三章壳中核结构CdS@void@TiO2 NSPs制备及性能

3．1实验部分

3．1．1原料及仪器

3．1．2壳中核结构CdS@void@TiO2 NSPs制备

3．1．3光催化剂粒子表征

3．2结果与讨论

3．2．1不同PEG用量对催化效率影响

3．2．2不同Py用量对降解效率影响

3．2．3 NSPs晶相分析

3．2．4 NSPs形貌分析

3．2．5 NSPs结构分析

3．2．6 NSPs热力学性能分析

3．2．7 NSPs光催化活性分析

3．2．8 NSPs降解性能

3．2．9 NSPs抗腐蚀性能分析

3．2．10 NSPs产氢性能分析

3．2．11 NSPs光催化机理

3．3本章小结

第四章CdS@void@TiO2 NFF制备及性能

4．1实验

4．1．1原料及仪器

4．1．2 CdS@void@TiO2 NFF制备

4．1．3纳米纤维表征

4．2结果与讨论

4．2．1 NFF晶相分析

4．2．2 NFF形貌分析

4．2．3 NFF结构分析

4．2．4 NFF热力学性能分析

4．2．5 NFF光催化活性分析

4．2．6 NFF降解性能分析

4．2．7 NFF抗腐蚀性能分析

4．2．8 NFF产氢性能分析

4．3本章小结

第五章结论与展望

5．1全文结论

5．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况

致谢