纳米二氧化钛—石墨烯量子点复合材料的制备及其光催化性能研究

摘要

近几十年来，光催化降解有机污染物引起了人们越来越多的关注，而由于二氧化钛具有高催化活性、高氧化性、光稳定性、化学稳定性，同时还兼具有较低廉的价格和无毒等特性，使二氧化钛成为目前研究光催化应用中最为广泛的材料。但是二氧化钛属于一种宽禁带半导体材料，只能被波长较短的紫外光所激发，也就是说仅能利用在太阳光中占5％的紫外光，同时限制了二氧化钛光催化技术在室内的应用。
　　自从发现石墨烯以来，这种新型的单原子层二维结构碳纳米材料由于其优异的性能而被广泛应用，如大的比表面积、高的载流子迁移率、优异的机械灵活性、良好的稳定性以及对环境友好的特性；而石墨烯量子点除了具有石墨烯以上的优异性能外，由于其尺寸在10 nm以下还具有较强的量子限域效应和边界效应。因此我们将石墨烯量子点引入到光催化领域，目的就是提高二氧化钛的光催化活性。针对上面的问题我们开展了以下三个方面的研究工作：
　　在第二章中我们利用水热法以钛片为基底，在低浓度氢氧化钠溶液中制备了长径比很大的TiO2纳米线阵列薄膜，并研究了TiO2纳米线薄膜的形成机理，通过不同的表征技术例如SEM、HRTEM对样品进行了研究，结果表明TiO2纳米线是垂直于基底表面竖直生长的，并且薄膜能够较好的附着于基底表面。XRD测试结果显示所制备的 TiO2纳米线为单晶锐钛矿相，经由 Na2Ti2O4(OH)2、H2Ti2O5·H2O转变而来。
　　随后我们对光滑的 TiO2纳米线阵列进行氨气气氛下热处理，获得了氮掺杂的纳米线阵列薄膜，最后利用旋涂法与石墨烯量子点进行复合，制备了N-GQDs-TNW复合物，通过SEM、XRD、Raman等表征技术对样品的形貌和晶型进行了表征，结果显示经氨气气氛下热处理及石墨烯量子点复合后并没有改变样品的形貌和单晶锐钛矿相结构。紫外-可见漫反射谱的表征表明样品的吸收带边几乎相同，对光的吸收仍为紫外光区。我们进一步对样品进行荧光光谱分析，结果表明复合物样品的荧光最弱，说明其电子空穴分离效果最好。之后我们通过对各种样品进行亚甲基蓝降解实验，结果表明复合物样品的光催化性能较纯的二氧化钛纳米线有所提高。
　　在第三章中我们通过两步水热反应制备了分等级的锐钛矿相TiO2纳米线阵列薄膜。同上对分等级的TiO2纳米线进行氨气气氛下热处理，获得了氮单掺杂的具有分支结构的纳米线阵列薄膜，最后利用旋涂法与石墨烯量子点进行复合，制备了N-GQDs-HNW复合物，通过SEM、XRD、Raman等表征技术对样品的形貌和晶型进行了表征，形貌表征结果显示原光滑纳米线表面可明显观察到纳米线分支的存在，结构表征表明经两步水热反应后样品仍为锐钛矿相结构，并且经氮及石墨烯量子点修饰后样品的形貌和晶相结构没有发生改变。紫外-可见漫反射谱的表征表明所有样品的吸收带边几乎相同，对光的吸收同样为紫外光区。进一步对样品进行荧光光谱分析，结果表明N-GQDs-HNW复合物样品荧光最弱，说明其电子空穴分离效果最好。之后我们对各种样品进行亚甲基蓝降解测试，结果表明N-GQDs-HNW复合物的光催化性能较纯的二氧化钛纳米线有较大提高。对光催化机理的研究表明复合物光催化性能之所以提高是由于其对于染料分子的吸附能力增强并且复合物中电荷分离效率也有很大的提高。
　　在第四章中我们分别以柠檬酸和硫脲、柠檬酸和尿素为原料，采用水热合成法分别制备了S和N共掺杂石墨烯量子点和N掺杂石墨烯量子点，随后通过旋涂法与TiO2纳米线复合制备了S,N:GQDs/TNW、N:GQDs/TNW复合物样品。紫外可见吸收光谱表明硫掺杂后复合物样品的吸收带边明显发生红移。PL测试结构分析显示复合物中石墨烯量子点的荧光几乎完全猝灭，说明石墨烯量子点与TiO2纳米线之间发生了电荷分离。光催化性能测试可知S,N:GQDs/TNW复合物光催化活性明显增强。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 二氧化钛纳米线的基本特性及合成方法

1.3 二氧化钛纳米线阵列光催化性能的优化

1.4 石墨烯量子点的基本性质及制备方法

1.5 石墨烯量子点的应用

1.6 本论文的研究目的、思路及主要研究工作

参考文献

第二章 氮掺杂TiO2纳米线—石墨烯量子点复合物的制备及其光催化性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 氮掺杂分级TiO2纳米线—石墨烯量子点复合物的制备及其增强光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 硫氮共掺杂石墨烯量子点的合成、与TiO2纳米线的复合及其增强光催化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

硕士期间完成的工作

致谢