提高纳米TiO2光生电荷分离状况的改性方法及机制研究

摘要

针对纳米TiO2光催化剂光生电荷的复合几率高与可见光利用率低的两个瓶颈因素，本论文探索与研究了采用磷酸、表面活性剂、溴化银改性来提高纳米TiO2光生电荷的分离状况及可见光利用率的方法。并重点利用表面光伏、光电化学测试和瞬态吸收光谱等技术对所合成的TiO2基光催化剂的光生电荷分离与复合、传输等动力学行为进行研究，以深入地揭示过程机制。具体内容如下：
　　 采用简单的溶液浸渍法实现了磷酸对纳米TiO2的表面修饰。在氧气存在下，适量磷酸修饰提高了纳米TiO2的表面光伏响应和光生空穴的寿命，说明了磷酸表面修饰促进了TiO2光生电子被吸附氧捕获，进而提高了光生电子-空穴的分离效率，这深入地揭示了磷酸修饰提高TiO2光催化活性的本质原因；磷酸修饰赋予了纳米TiO2表面在水体系中带有负电荷，延长了光生载流子的寿命，提高了光生电子-空穴的分离效率，这些深入地揭示了磷酸修饰提高纳米TiO2薄膜电极光电流密度的本质原因。
　　 在酸性条件下，实现了适量阳离子表面活性剂CTAB对溶胶水热法合成的纳米TiO2进行表面修饰，并进一步可使纳米TiO2从水相中完全转移到有机相中。在表面修饰过程中，Br-担负着桥联的重要角色。适量CTAB表面修饰提高了纳米TiO2光生电子和空穴的分离效率及其对有机污染物的吸附性能，因而改善了光催化性能。光催化性能的改善也与Br-捕获光生空穴而被氧化成具有较强氧化能力的Br有关。另外，利用表面活性剂修饰的纳米TiO2，设计合成了非紫外光照射即具有超亲水性能的纳米TiO2薄膜，这与表面活性剂与有机高分子PEG添加剂相作用而诱导的由TiO2纳米粒子聚集而成的微米结构隆起的表面结构有关。实现了超亲水性和光催化双功能性的融合。
　　 在CTAB酸性条件下通过Br-桥联成功地实现对纳米TiO2表面修饰基础上，发展了利用类微乳体系实现纳米AgBr与纳米TiO2复合的可控合成方法。结果表明，与普遍采用的水相体系相比，在类微乳体系下更有利于实现AgBr与TiO2的有效复合，这显著地提高了AgBr-TiO2纳米复合体系的光生电荷的分离状况，获得了在可见光下具有较高光催化性能的复合光催化剂。
　　 本研究工作为设计合成高性能的TiO2基光催化剂提供一些可借鉴的方法与思路，为丰富TiO2光催化技术理论提供一些重要的实验依据。