提高纳米TiO2光生电荷分离的策略及光催化性能研究

摘要

在众多的半导体光催化剂中，纳米TiO2因其独特的物理化学性质备受瞩目。其中，锐钛矿TiO2光生电荷分离较好，被研究的最为广泛，而金红石TiO2因其较小的比表面积表现出较差的光催化活性，常被人们忽视。然而，金红石TiO2也有许多优点，如高化学稳定性，高硬度等。我们知道，在光催化降解污染物过程中，TiO2表面吸附的氧气捕获光生电子是关键。在光催化还原CO2过程中，由于水氧化反应需要四个空穴参与，因此利用表面极性基团等诱导空穴是关键。基于以上，本论文开展了无机酸修饰，引入极性基团，构建复合体等策略来对光生电荷进行诱捕，促进光生电荷的分离，进而提高TiO2光催化活性。具体如下:
　　首先采用低温盐酸调控的溶胶-水热法合成了表面残留氯的金红石TiO2，利用磷酸和硼酸对其进行共修饰，结果表明，磷酸是以-P-OH键与TiO2的-Ti-OH键脱水形成-Ti-O-P-OH实现有效连接的，硼酸则是通过硼原子的原子空轨道与TiO2表面残留氯的孤对电子相互作用形成-Ti-Cl∶B-OH键，进而实现了共修饰。相比于磷酸或硼酸单独修饰的样品，共修饰后样品的光生电子被捕获的程度得到了明显的提高，主要归因于TiO2表面氧吸附性能的提高，从而提高了光生电荷的分离，使得羟基自由基产量提高，进而促进了光催化降解污染物活性。
　　将合成的表面残留氯的金红石TiO2样品先用磷酸修饰后，再复合适量的碳纳米管。修饰的磷酸在水中一部分会电离形成负场，与TiO2表面残留的氯协同诱导空穴，另一部分磷酸作为分子桥有效的连接TiO2和碳纳米管，进而促进电荷的有效转移，同时，碳纳米管又能很好的传输电荷，这些作用极大地提高了光生电荷的分离，进而改善了TiO2光催化还原CO2的能力。
　　本工作将有助于深入理解半导体光催化的过程机制，并为设计合成高催化活性的TiO2基光催化剂材料提供可借鉴的思路。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 半导体光催化技术

1．2．1 半导体光催化技术简介

1．2．2 半导体光催化反应原理及影响因素

1．2．3 半导体光催化剂材料分类

1．3 纳米TiO2材料

1．3．1 纳米TiO2的结构和性质

1．3．2 纳米TiO2材料的应用

1．4 纳米TiO2材料的改性方法

1．4．1 贵金属沉积

1．4．2 染料敏化

1．4．3 半导体复合

1．4．4 掺杂改性

1．5 论文的立题依据及研究的内容

1．5．1 立题依据

1．5．2 研究内容与意义

第2章 实验材料及表征方法

2．1 实验试剂与仪器设备

2．1．1 实验试剂

2．1．2 仪器设备

2．2 材料表征方法

2．2．1 X-射线衍射

2．2．2 紫外-可见分光光度计

2．2．3 红外光谱仪

2．2．4 拉曼光谱仪

2．2．5 透射电子显微镜

2．2．6 X-射线光电子能谱

2．2．7 程序升温脱附测试

2．2．8 稳态表面光电压谱

2．3 羟基自由基测试

2．4 光电化学性能测试

2．5 光催化活性评估

第3章 磷酸和硼酸共修饰对TiO2的影响

3．1 前言

3．2 实验方法

3．2．1 材料的合成

3．2．2 材料表征及活性评估

3．3 结果与讨论

3．3．1 材料结构表征及表面组成

3．3．3 光催化活性

3．3．4 机制讨论

3．4 本章小结

第4章 磷酸修饰和碳纳米管复合对TiO2的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 材料的合成

4．2．2 材料表征及活性评估

4．3 结果与讨论

4．3．1 材料结构表征及表面组成

4．3．2 光催化活性

4．3．3 机制讨论

4．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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