AgBr/TiO2纳米复合催化剂的制备及其可见光光催化性能研究

摘要

环境污染已成为困扰当今社会可持续发展的最大难题之一,世界各国为此都投入了大量的人力物力去寻找解决办法。常用的物理法,化学法,生物法等往往存在着操作复杂,消除污染不彻底,费用昂贵等缺点。从20世纪70年代开始,半导体光催化技术的发展给解决环境污染提供了新的途径。在众多的半导体氧化物中,TiO2的优势是显而易见的:氧化能力强,化学性质稳定,环境友好,而且廉价易得。但是它也存在不足之处,例如:只能利用占太阳光中4％-5%的紫外光,并且光生载流子的复合速率较快等。
　　TiO2的改性能够有效拓展其对可见光的吸收,减少光生载流子的复合。其中与窄禁带半导体复合是一种重要方法,它不仅可以使二氧化钛的吸收拓展到可见光区,而且由于两种半导体间能带的差异可促进光生电子-空穴的复合,进而提高可见光催化效率。含银卤化物光催化剂引起了人们热切的关注。AgCl、AgBr、AgI在光照条件下表面会形成一层Ag单质,这层Ag单质可以保护AgX不会被继续分解,使催化剂的稳定性得到改善。这种AgX/半导体纳米复合材料作为高活性的光催化剂目前已得到深入的研究和广泛的应用。
　　本文以水热法制备得到的不同形貌的钛酸为前驱体,通过不同的方法使其与AgX复合,并对该复合催化剂进行了各种物理化学性能表征,比较了其可见光催化活性,主要研究内容包括以下四个部分:
　　(1)以钛酸纳米带为二氧化钛的来源,通过离子交换-煅烧的方法制备而得了AgBr/TiO2纳米复合材料。随着煅烧温度的增加,钛酸逐步转变为锐钛矿相的TiO2,相貌也随之发生改变。紫外可见吸收表明,AgBr/TiO2纳米复合材料在可见光400-470nm有很强的吸收;可见光下对MO的降解表现出了良好的活性;其中样品AgBr/TiO2-300活性最好,30min内MO的降解率达到了95%;AgBr/TiO2-300保持了较好的纳米带结构,比表面积达到了158m2/g:该催化剂表现出高光催化活性的原因可能是TiO2纳米带的一维结构有利于电子传输,减少了电子-空穴的复合;较大的比表面利于催化剂的活性面与甲基橙接触,提高反应效率。同等条件下,与纯AgBr,TAN,P25/AgBr相比,样品AgBr/TiO2具有更好的催化活性。
　　(2)以钛酸纳米管为前驱体,通过共沉淀—煅烧的方法制备得到了AgBr/纳米管钛酸复合材料。透射电镜(TEM)和 X射线衍射分析(XRD)结果表明,经过不同温度的焙烧,钛酸纳米管的形貌由一维管状逐渐转变为颗粒状,晶体结构也由正交晶系转化为锐钛矿结构;紫外可见漫反射光谱(UV-visDRS)表明,担载的AgBr明显拓展了纳米管钛酸的可见光吸收范围;X射线光电子能谱(XPS)对样品中 Ag元素的价态进行了分析,Ag物种主要以Ag+形式存在。以甲基橙(MO)的可见光降解为探针反应,结果表明,当煅烧温度为200℃时,光催化活性最高,MO的降解率在30分钟内就达到了90%以上;随着煅烧温度的增加,催化活性有逐渐降低的趋势。
　　(3)以金属钛片为基底,通过水热法原位生长了纳米管钛酸多孔薄膜;将其在400度下焙烧4h,得到了锐钛矿相的二氧化钛纳米管多孔薄膜。透射电镜图片表明,二氧化钛的直径为8-10nm;扫描电镜图片表明,TiO2薄膜是由很多的纳米管组成,多根纳米管交错在一起组成了多空松散的结构。将溴化银纳米晶通过沉淀法成功的敏化到了TiO2薄膜上,而纳米管结构保持完整,没有破损,其可见光吸收明显增加。通过EDS计算,溴化银的含量大约是2.42%。样品AgBr-TN与样品TN和AgBr-TiO2相比,具有更好的活性。可能是由于样品AgBr-TN具有更大的比表面积,一维的管状结构,多空结构增加光的吸收效率引起的。当样品AgBr-TN经过二次400度4h煅烧时,对可见光的吸收有所增加,活性也有所提高。交流阻抗谱表明二次段稍后样品中光生电子空穴的分离能力明显提高。
　　(4)以钛酸纳米带为二氧化钛的来源,通过离子交换-煅烧的方法制备得了系列AgX/TiO2纳米复合材料。紫外可见吸收光谱表明,AgX/TiO2纳米复合材料在可见光400-470nm范围内都有很好的吸收;可见光下对MO的降解表现出了良好的活性;样品AgBr/TiO2-300比样品AgCl/TiO2-300和AgI/TiO2-300具有更好的活性。这可能是由于样品AgBr与TiO2有更好的能带匹配,电子很容易转移到TiO2的价带上去,减少了电子-空穴的复合。
　　以工作(3)中得到的锐钛矿相TiO2纳米管多孔薄膜为基底,分别将AgCl,AgBr,AgI纳米颗粒通过沉淀法沉积到TiO2多孔薄膜上。以MO的光降解为指标反应考察了系列AgX/TiO2复合薄膜的光催化活性。结果表明样品AgBr-TN-C比样品AgI-TN-C和AgCl-TN-C具有更好的活性。

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第一章 前言

1.1 引 言

1.2 Ag-基等离子体催化剂(以 Ag/AgBr 类为主)

1.3 其它含银、金纳米颗粒的等离子体共振催化剂

1.4 等离子体共振催化剂的发展前景

第二章 一种新型制备 AgBr/TiO2 复合物的方法及其可见光催化活性的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 AgBr/纳米管钛酸复合材料可见光催化性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 催化剂的活性评价

3.4 结果与讨论

3.5 结论

参考文献

第四章 AgBr 敏化 TiO2 纳米管薄膜的制备及其可见光催化活性的研究

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

第五章 AgX-TiO2 复合催化剂的制备及其在可见光下催化活性的研究

5.1 引言

5.2 样品的制备

5.3 样品 AgX/TiO2 结果与讨论

5.4 样品 AgX/TN 多孔薄膜结果与讨论

5.5 本章小结

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢