中空二氧化钛纳米球的制备及其光催化性能研究

摘要

TiO2是一种非常重要的半导体材料，其在光催化、太阳能电池、光致发光、传感器以及纳米技术的其他领域有很广泛的潜在应用价值。但由于TiO2是宽带系半导体，只能被紫外光激发，对太阳光的利用率较低。为了将TiO2应用于大量的工业污染物的处理，因此人们对提高TiO2光催化量子产率、拓展TiO2光催化的光谱响应范围以及稳定TiO2光催化活性进行了深入研究，其中离子掺杂改性是目前研究热点。
　　 本论文采用乳液聚合法制备单分散PS微球，通过分析反应温度、反应时间以及调控反应体系醇水比制备出单分散性好且尺寸可控的PS微球，并利用PEI对尺寸为540nm的PS微球进行表面修饰改性得到阳离子PS微球，以此阳离子PS微球作为模板，通过模板/溶胶-凝胶法制备PS/TiO2复合微球，最后通过高温煅烧除去PS模板得到TiO2中空球。通过SEM、TEM、XRD和DRS对复合体微球进行结构测试和表征，结果表明，所得中空球形貌完整，具有良好的结晶性，在波长九＜400nm处具有很强的吸收。利用罗丹明B对其进行紫外光光催化测试，发现TiO2中空球在紫外光照射条件下具有良好的光催化性能，可以充分降解有机污染物，并对其光催化机理进行了深入研究。
　　 以上述研究结果为基础，利用成本低廉的硝酸铁作为铁源，对TiO2中空球进行铁掺杂，通过调控硝酸铁的用量，制备出不同铁掺杂量的TiO2中空球。通过TEM、XRD、DRS和XPS对其进行结构测试和表征。结果表明，铁离子成功掺入到样品中，且具有良好的中空球形貌，不同铁掺杂量的TiO2中空球样品都有不同程度的红移，且当铁掺杂量达到1％（摩尔百分比）的时候，TiO2中空球的光催化性能达到最佳。光催化测试结果表明，适当的铁掺杂量可以有效的提高TiO2中空球在紫外光和可见光照射条件下的光催化性能，为太阳光利用这一领域开拓新的思路。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2 TiO2光催化简介

1．3 TiO2光催化效率的提高

1．3．1 TiO2光催化剂制备技术的改进

1．3．2 TiO2光催化剂的表面螯合以及衍生

1．3．3 半导体复合

1．3．4 表面光敏化

1．3．5 贵金属沉积

1．3．6 表面超强酸化

1．3．7 离子掺杂改性

1．4 TiO2的应用

1．4．1 光催化

1．4．2 光生伏特

1．4．3 光催化分解水

1．4．4 电致变色

1．4．5 储氢

1．4．6 传感应用

1．4．7 光致超亲水性和超疏水性

1．5 TiO2中空微球制备方法简介

1．5．1 传统硬模板法

1．5．2 牺牲模板法

1．5．3 软模板法

1．5．4 无模板法

1．6 课题主要研究内容

第2章 实验材料以及表征方法

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 表征方法

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 傅立叶变换红外光谱

2．3．3 广角X射线衍射

2．3．4 紫外可见漫反射光谱

2．3．5 X射线光电子能谱

2．3．6 透射电子显微镜

第3章 单分散阳离子PS微球的制备

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 单分散聚苯乙烯微球的制备

3．2．2 单分散聚苯乙烯微球的表面改性

3．3 结果与讨论

3．3．1 乳液聚合反应机理

3．3．2 反应温度以及反应时间的确定

3．3．3 反应体系的影响

3．3．4 反应体系通氮气的影响

3．3．5 修饰和未修饰PEI的PS微球的FT-IR分析

3．4 本章小结

第4章 TiO2中空球的制备及其光催化性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 TiO2中空球的制备

4．2．2 TiO2中空球的光催化性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 TiO2包覆PS微球机制

4．3．2 TiO2中空球XRD分析

4．3．3 TiO2中空球DRS分析

4．3．4 TiO2中空球TEM分析

4．3．5 TiO2中空球光催化性能研究

4．4 本章小结

第5章 铁掺杂TiO2中空球的制备及其光催化性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 铁掺杂TiO2中空球的制备

5．2．2 铁掺杂TiO2中空球的光催化性能测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 铁掺杂TiO2中空球XRD分析

5．3．2 铁掺杂TiO2中空球DRS分析

5．3．3 铁掺杂TiO2中空球XPS分析

5．3．4 铁掺杂TiO2中空球TEM分析

5．3．5 铁掺杂TiO2中空球光催化性能研究

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

声明