钛酸盐纳米管复合材料合成及其光、电催化性质的研究

摘要

水热法合成的钛酸盐纳米管(TNTs)由于其管径小、管壁薄、比表面积大、因此具有很多优良的性能。目前TNTs的合成与表征已成为纳米材料研究的一个新发展趋势,越来越受到科学家们的重视。然而,由于TNTs的发现比较晚,而目前对其研究还主要集中在纳米管的制备与生成机理方面,而对于纳米管作为环境功能材料在环境电化学、光化学方面的研究还比较少,因此加强在这方面的研究是很有必要的。本论文结合了近年来关于TNTs的研究成果,对TNTs复合材料的合成以及其在光、电催化性质进行深入的探讨与研究,获得了一些创新性研究成果。 使用层层自组装(LBL,)方法在ITO玻璃上制备了TNTs多层膜电极,并对自组装膜的光电化学响应进行了系统研究。结果表明水热法合成的TNTs能够通过层层自组装方法在ITO玻璃表面形成多层膜,该膜致密均匀、组装量可控制,并能产生稳定、持久的光电流。 利用TNTs的管状特性,创立了一种TNTs管内合成CdS纳米粒子的新方法,合成出了TNTs管内镶嵌CdS纳米粒子的复合纳米材料,并与TINTs管外掺杂CdS纳米粒子的复合物形态进行了比较。研究表明在TNTs管内合成的CdS纳米粒子,尺寸小,而且分布均匀,这是因为管状结构TNTs能够限制管内纳米粒子的生长和减少纳米粒子在管中的积累。该方法合成的CdS-TNTs复合纳米材料不仅在可见光下具有高的光催化活性,而且为纳米粒子的可控合成提供了一种新的技术手段和思路。 中空管状结构的TiO2纳米管与普通的粉体相比,具有更为奇特的物理结构及优异的化学性能,是一种优良的催化剂载体材料。通过电荷吸附作用合成了亚甲基蓝(MB)-TNTs纳米复合材料,采用涂抹法与层层自组装法制备了稳定且具有良好电催化活性的MB-TNTs膜电极,并进一步研究了MB-TNTs修饰电极对神经递质多巴胺的电催化性能。研究表明TNTs是一种优良的电活性物质载体,MB吸附在TINTs的效果要好于普通的TiO2粒子,而MB-TNTs纳米材料有望成为一些有机物快速测定的电化学传感材料。同时,我们还使用了化学合成法和水热法分别合成了ZnO-TNTs与WO3-TNTs纳米复合材料,采用XRD、TEM、UV-vis、XPS等手段对复合体的结构、性质进行了表征,并以罗丹明B(RhB)溶液作为目标污染物对合成材料的光催化活性作了研究。实验表明,ZnO-TNTs和WO3-TNTs纳米复合体与单纯的TNTs和P25相比具有更强的光催化活性,能使RhB溶液的光催化降解速率有明显提高,这主要是由于掺杂的纳米粒子与TNTs发生协同作用所引起的。我们还详细研究了不同的ZnO(或WO3)负载量对TNTs复合材料光催化性质的影响,从理论上分析了其光催化性质与材料组成、结构的关系,得到了两种具有良好光催化活性的TNTs复合材料的最佳组成。

目录

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第一章绪论

1.1. 一维纳米材料-TiO2纳米管

1.2. TiO2纳米管的制备方法

1.2.1. 水热法

1.2.2. 阳极氧化法

1.2.3. 模板法

1.2.4. TiO2纳米管的结构形貌

1.3. 水热法合成钛纳米管的形成机理及合成条件

1.3.1. 钛酸盐纳米管的形成机理

1.3.2. 影响钛酸盐纳米管形态的合成条件

1.4. 钛酸盐纳米管的物理化学特性

1.4.1. 离子交换性质

1.4.2. 导电性

1.4.3. 导热性

1.4.4. 比表面积、孔状特性和亲水性质

1.4.5. 电化学性质

1.5. 钛酸盐纳米管的改性

1.5.1. 贵金属纳米粒子掺杂

1.5.2. 离子掺杂

1.5.3. 复合半导体

1.6. 钛酸盐纳米管的应用

1.6.1. 光催化、电催化性能

1.6.2. 其它应用

1.7. 研究的内容及其意义

第二章钛酸盐纳米管的合成及其层层自组装膜性能的研究

2.1 前言

2.2. 实验部分

2.2.1. 实验仪器

2.2.2. 主要试剂

2.2.3. TNTs的制备

2.2.4. TNTs膜的层层自组装

2.3. 结果与讨论

2.3.1. 合成TNTs的表征

2.3.2. TNTs层层自组装膜

2.4. 本章小结

第三章亚甲基蓝-钛酸盐纳米管复合材料、及其层层自组装膜的电化学性能研究

3.1. 前言

3.2. 实验部分

3.2.1. 实验仪器

3.2.2. 主要试剂

3.2.3. MB-TNTs与MB-TNP纳米复合体的制备

3.2.4. MB-TNTs与MB-TNP修饰电极的制备

3.2.5. MB-TNTs层层自组装膜的制备

3.3. 结果和讨论

3.3.1. MB-TNTs的XPS分析

3.3.2. MB-TNTs和MB-TNP的光谱分析

3.3.3. MB-TNTs和MB-TNP膜的电化学研究

3.3.4. MB-TNTs/GCE电化学氧化多巴胺的研究

3.3.5. MB-TNTs层层自组装膜的表征

3.4. 本章小结

第四章镶嵌CdS纳米粒子钛酸盐纳米管的制备、表征及光催化性能的研究

4.1. 前言

4.2. 实验部分

4.2.1. 实验仪器

4.2.2. 主要试剂

4.2.3. CdS-TNTs纳米复合体的合成

4.2.4. 光催化反应

4.3. 结果与讨论

4.3.1. 纳米管内镶嵌CdS过程

4.3.2. CdS-TNTs的表征

4.3.3. CdS-TNTs的光催化反应

4.4. 本章小结

第五章表面负载ZnO纳米粒子钛酸纳米管的合成、表征及其光催化性能的研究

5.1 前言

5.2. 实验部分

5.2.1. 实验仪器

5.2.2. 主要试剂

5.2.3. ZnO-TNT与ZnO-TNP的制备

5.2.4. 光催化反应

5.3. 结果与讨论

5.3.1. ZnO-TNTs的表征

5.3.2. ZnO-TNTs的光催化活性

5.3.3. ZnO-TNTs的重复性使用

5.4. 本章小结

第六章水热法合成WO3纳米粒子-钛酸盐纳米管复合材料及其光催化性能的研究

6.1 前言

6.2. 实验部分

6.2.1. 实验仪器

6.2.2. 主要试剂

6.2.3. WO3-TNTs纳米复合体的合成

6.3. 结果与讨论

6.3.1. WO3-TNTs的表征

6.3.2. WO3-TNTs的光催化反应

6.4. 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢