F127辅助制备WO3/TiO2复合空心微球及其光催化性能研究

摘要

纳米结构氧化钛(TiO2)是一种新型半导体氧化物纳米功能材料，具有很多一般TiO2不具备的物理化学性能，在光学、力学、电学、热学、磁学等方面有特殊性质。其表现为比表面积大，表面活性大，光吸收性能好，熔点低，热导性能好，分散性好等。由于二氧化钛的这些特性，作为催化剂或载体、光电转化材料、涂层材料，应用在化工、环保、化妆品，油漆、涂料中的颜料等领域。二氧化钛空心微球作为性能优良的光催化材料，具有氧化能力强，物理化学性质稳定，无毒、对可见光响应等优点，是光电化学体系中理想的半导体材料，可以直接利用太阳光、普通光源净化环境和水源，因此在光催化领域得到了广泛的研究。
　　 但二氧化钛的带隙能级为3.2eV，禁带较宽，容易发生电子与空穴的复合，只有在足够强度的紫外线或近紫外线激发时才呈现高的催化活性，而在太阳光中紫外光只占一少部分，对太阳能的利用效率低，目前提高TiO2对太阳光的利用率，增大光催化活性是要解决的主要问题。
　　 本实验室中以钛酸四丁酯为钛源，采用醇热法，曾制备过无模板二氧化钛微球，操作方法简单，但制备的微球比表面积小，表面性质差，光催化性能不高。因此，本论文采用模板法，以共聚物F127为模板制备二氧化钛空心微球，并进一步对F127的作用进行了深入研究讨论。并且为了提高TiO2的光催化活性，利用WO3对TiO2进行复合，深入探究WO3-TiO2空心微球在形貌性能方面的特征，与纯TiO2空心微球进行对比分析。主要研究内容及结论如下:
　　 1.实验中以三段共聚物F127为模板，以钛酸四丁酯为钛源经醇热法制备的二氧化钛空心微球，是由无数的蜂窝式的孔道组成，具有形貌特征好，尺寸均匀，孔径较大，比表面积较大的特点。探讨了共聚物F127的用量对微球形貌和性质的影响，得出当共聚物F127的投加量为n(F127)∶n(Ti)=0.5％∶1，微球的形貌最好，孔径分布均匀，比表面积最大。说明F127在制备过程中有助于扩大孔道、控制微球形貌均匀，增大比表面积的作用。
　　 2.实验中深入探讨了影响二氧化钛空心微球形貌的主要因素，反应物水和钛酸四丁酯的摩尔比、热压时间、热压温度都在不同程度上影响其形貌。通过调控去离子水与钛酸四丁酯之间的摩尔比，使水解和缩聚反应达到比较适宜的速度，为空心微球的形成创造了条件。反应温度和热压时间在二氧化钛空心微球形成的过程中起着关键作用，反应温度的高低和热压时间的长短直接决定着是否能够得到理想的球形结构与性质。经过实验表征分析得出制备TiO2空心微球的适宜条件为热压时间为4h，反应温度为190℃，n(H2O)∶n(Ti)=1∶1。
　　 3.实验中将以上述条件制备出的二氧化钛微球煅烧，除去微球中的有机成分，通过不同温度的煅烧，对样品进行表征，二氧化钛微球属于锐钛矿型，升高温度并未改变其晶型，在温度过低时，微球内部的有机成分没有完全除去，堆积在微球孔道内，使得比表面积小，当温度过高时，晶粒长大，导致介孔结构塌陷，比表面积减小。因此实验得出有机物被去除表面性质最好的煅烧温度为400℃。
　　 4.在以共聚物F127为模板剂，经醇热法制备二氧化钛空心微球的基础上，对TiO2空心微球进行WO3复合，通过掺入WO3，深入探究WO3-TiO2空心微球在形貌性能方面的特征，通过WO3-TiO2空心微球和纯TiO2空心微球对光的紫外-可见漫反射吸收光谱分析，WO3复合后，吸收光谱由紫外光区拓宽到了可见光区，这是由于TiO2的禁带宽度为3.2eV，而WO3的禁带宽度为2.8eV，复合后降低了TiO2的禁带宽度，提高了光响应范围。
　　 5.通过探讨WO3-TiO2复合空心微球中WO3掺入量和煅烧温度对光催化活性的影响，以甲基橙为目标污染物进行光催化性能分析，相对于纯TiO2空心微球，WO3-TiO2空心微球的光催化活性提高，但当掺入量过大时WO3-TiO2空心微球对污染物的降解率反而下降，由实验得出当掺杂量为2％时WO3-TiO2空心微球光催化活性最好，煅烧温度为400℃时的光催化活性最好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米结构TiO2概述

1．2．1 纳米结构TiO2的结构与性质

1．2．2 纳米结构TiO2的制备方法

1．3 空心微球的制备方法

1．3．1 硬模板法

1．3．2 软模板法

1．3．3 逐层自组装法LBL

1．3．4 喷雾法

1．3．5 Ostwald熟化理论法

1．4 二氧化钛光催化剂的改性

1．4．1 离子掺杂

1．4．2 半导体复合

1．4．3 贵金属沉积

1．4．4 表面光敏化

1．5 选题意义与研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第二章 嵌段聚合物辅助TiO2空心微球的制备及表征

2．1 引言

2．2 表征手段

2．2．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．2 X-射线衍射分析(XRD)

2．2．3 N2吸附表面性质测试

2．2．4 热重扫描分析

2．2．5 紫外-可见吸收光谱

2．3 实验部分

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验仪器

2．3．3 二氧化钛空心微球的制备

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 热压时间对微球形貌的影响

2．4．2 热压温度对微球形貌的影响

2．4．3 去离子水投加量对微球形貌的影响

2．4．4 F127投加量对微球的影响

2．4．5 煅烧温度对TiO2微球的影响

2．5 小结

第三章 WO3-TiO2复合微球的制备及光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 WO3-TiO2空心微球的制备

3．2．4 光催化活性测试

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 WO3-TiO2空心微球的形貌分析

3．3．2 WO3-TiO2空心微球的紫外-可见漫反射光谱分析

3．3．4 WO3-TiO2空心微球的表面性质分析

3．3．5 WO3的复合量对WO3-TiO2微球的形貌及性能研究

3．3．6 煅烧温度对WO3-TiO2微球光催化性能的研究

3．4 小结

第四章 结论与展望

参考文献

致谢