二氧化钛纳米线的一步法水热合成及其光催化性能研究

摘要

随着科学技术的快速发展，环境污染，尤其是水污染日益成为人类关注的热点。传统的水污染治理方法，如过滤和吸附，并不能从根本上解决问题，甚至会造成二次污染，半导体光催化技术应运而生。这种技术能将太阳能转化为化学能使有机物降解为无机物，从根本上解决水污染问题，从而得到广泛的研究。而半导体二氧化钛因其无毒、耐酸碱、制备工艺简单、成本低等优点，在光催化技术领域中得到广泛的应用。目前，如何提高光催化剂对太阳光的利用率，以及如何高效回收利用光催化剂等是二氧化钛光催化技术利用中存在的主要问题。与纳米粉体相比，二氧化钛一维纳米结构具有与目标降解物接触面积大、电子-空穴对分离效率更快更高以及回收利用率高等优点，日益成为研究的重点。在众多制备一维纳米二氧化钛材料方法中，水热法最为常见，主要是以无机物与强碱性溶液为原料进行水热反应来实现的。
　　 本实验首次以钛酸丁酯和异丙醇等有机物为原料，在NaOH溶液中水解后，直接进行水热反应制得二氧化钛纳米线（TNWs）。用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线能谱(EDX)对所得产物进行形貌、结构及成分的表征，考察了水热温度、碱液浓度、水热时间及焙烧温度等因素对产物的影响。实验结果表明，本实验方法获得较好一维纳米形貌的最佳水热温度、碱液浓度和水热时间分别是180℃、10mol.L-和24h。另外，以甲基橙为目标降解物，采用紫外-可见分光光度计研究TNWs的光催化性能。结果表明，在300W汞灯下照射120min，获得最佳降解效果的甲基橙溶液初始浓度、催化剂投放量及焙烧温度分别为30mg·L-1、2g·L-1和650℃。
　　 Fe3+的半径和Ti4+的很接近，容易掺进二氧化钛晶格，继而产生既能捕获电子也能捕获空穴的中心，抑制电子-空穴对的复合，提高TiO2的光催化活性。但是Fe3+容易水解生成Fe(OH)3沉淀，又易与水热体系里的有机物发生反应。为减少Fe3+的流失，本实验采用焙烧的方法来实现铁掺杂，即先制备TNWs，再与Fe(NO3)3溶液均匀混合，置于马弗炉中焙烧得到掺铁二氧化钛纳米线(Fe-TNWs)。用XRD和SEM表征其晶体结构和形貌，并考察了焙烧温度、时间和掺杂量对Fe-TNWs光催化性能的影响。结果表明，在750℃下焙烧4h的掺铁量为0.5％的样品，光催化活性最强。光照120min后，降解率大于70％。同等条件下，与未掺杂样品相比，其降解速率和效率都有了很大的提高。
　　 另外，稀土离子特有的电子结构使其具有良好的光电性能，在二氧化钛掺杂改性方面也得到广泛的研究。本文采用铕作为掺改性的元素，在水热过程中实现铕的掺杂，即在有机物水解过程中加入Eu(NO3)3溶液，再进行水热反应。用XRD和SEM表征其晶体结构和形貌，也考察了不同焙烧温度、时间和不同掺杂量对掺铕二氧化钛纳米线（Eu-TNWs）光催化性能的影响。结果表明，在650℃下焙烧4h掺铕量为1.6％的样品，其光催化活性最强。光照80min后，降解率大于90％。同等条件下，与未掺杂样品相比，其降解速率和效率都有大幅度提高。