Bi2O3/TiO2纳米管阵列薄膜的制备及其可见光催化性能研究

摘要

近年来水污染问题日益严峻，半导体光催化降解技术为处理低浓度、难降解的有机污染物提供了有效的途径。TiO2作为研究最为广泛的光催化剂，有两大局限性，即对太阳光的利用率低和光生电子/空穴易复合。因此，对TiO2进行改性和开发新型可见光响应光催化剂成为研究热点。Bi2O3带隙较窄，能够在可见光照射下迅速响应，氧化能力强，是一种理想的可见光催化剂。将TiO2与可见光响应的Bi2O3组装可以获得高可见光催化活性的复合光催化剂。
　　本文采用两步阳极氧化法制备高度有序的TiO2纳米管阵列（以下简称TNTAs）薄膜，研究H2O含量、二次氧化时间和热处理温度等实验条件对形貌及光催化性能的影响，确定了最佳制备条件为H2O含量3.0vol％，二次氧化时间2h，热处理温度550℃。采用溶胶凝胶法制备Bi2O3，研究了HNO3和PEG200对结构和光催化性能的影响，确定了HNO3和PEG200的最佳用量分别为3.2mL和3.5mL。
　　以TNTAs为基体，采用浸渍-分解法组装Bi2O3，制备Bi2O3/TNTAs薄膜，研究了Bi2O3溶胶浓度、真空度和热处理温度对薄膜形貌及光催化性能的影响，确定了最佳制备条件。采用了SEM、XRD、XPS和UV-Vis等多种表征方法对Bi2O3/TNTAs薄膜的结构和性能进行了分析，探讨了微观结构、太阳光谱匹配性及光催化性能的内在关系，最后对可能的光催化机理进行了讨论。结果表明，Bi2O3/TNTAs薄膜中Bi2O3和TiO2为主相，但是二者并不只是简单的复合，而是在二者之间发生了化学反应产生了Bi4Ti3O12相。TNTAs经过与Bi2O3的有效组装，其光吸收阈值由420nm增大至515nm，带隙由2.96eV减小至2.40eV。可见光催化实验结果表明，与纯TNTAs相比（23.0%），Bi2O3/TNTAs薄膜的可见光催化活性（93.5%）有明显提高。光催化反应动力学分析表明，该光催化反应为准一级反应，Bi2O3/TNTAs薄膜的反应速率为TNTAs的16倍。机理分析认为，可见光催化活性的提高主要可以归因于TiO2与Bi2O3的有效复合及Bi4Ti3O12相的存在，使得薄膜对可见光的吸收和利用增强，同时大大提高了光生载流子的分离效率。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 半导体光催化剂概述

1.3 TNTAs的研究进展

1.4 Bi2O3光催化剂的制备研究

1.5 Bi2O3/TNTAs的研究进展

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验仪器

2.2 实验药品

2.3 实验流程

2.4 实验方法

2.5 测试表征方法

2.6 光催化性能评价

第3章TNTAs的制备及表征

3.1 引言

3.2 两步法制备TNTAs

3.3 H2O含量对纳米管的影响

3.4 二次氧化时间对纳米管的影响

3.5 热处理温度对纳米管的影响

3.6 本章小结

第4章 Bi2O3/TNTAs薄膜的制备及光催化性能研究

4.1 引言

4.2 溶胶凝胶法制备Bi2O3光催化剂

4.3 浸渍-分解法制备Bi2O3/TNTAs薄膜光催化剂

4.4 Bi2O3/TNTAs薄膜的结构及性能分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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