非金属元素掺杂二氧化钛空心球的制备及其光催化性能的研究

摘要

本论文针对二氧化钛材料在实际应用中的局限性，制备了具有中空结构的二氧化钛空心球。这种二氧化钛空心球，克服了二氧化钛材料本身的热稳定性随比表面积的增大而降低的缺陷，实现高稳定性和高表面积的兼容，提高二氧化钛的实用性。同时，参照现有的光催化理论，对所制备二氧化钛空心球，进行非金属掺杂改性，提高随太阳光的利用率，改善其光催化降解甲醛的性能。
　　 本论文利用高分子微球制备方法简单、产物单分散、微球粒径及分布可控、表面易功能化等特点，以P（St-HEA）微球为模板，将模板法与溶胶-凝胶技术相结合，以钛酸四丁酯前驱体，制备了P（St-HEA）/TiO2核壳复合微球。再通过煅烧去除模板，最终得到锐钛矿型的二氧化钛空心球。然后，对所制得的二氧化钛空心球，进行氮、硫等非金属元素的掺杂改性。并进一步通过光催化实验，验证二氧化钛空心球的光催化性能得以改善。主要工作如下：
　　 1.采用无皂乳液聚合法，制备了P（St-HEA）单分散微球。研究了反应温度、反应时间对单体转化率的影响，以及引发剂用量对微球终粒径及粒径分布的影响。实验结果表明，最佳反应温度为85℃，反应2h时加入共聚单体HEA，且总反应时间为5h为宜。当引发剂的用量占水的用量的0.3wt％时，单体的转化率最高，可达94.1％。并且，随着HEA在总单体用量质量分数的增加，P（St-HEA）微球粒径逐渐增大，单分散性变化不大，且体系的单分散性优越。
　　 2.以钛酸四丁酯溶胶-凝胶为钛前驱体，采用溶胶-凝胶法，以粒径为230nm的P（St-HEA）单分散微球为模板，首先制备了P（St-HEA）/TiO2核壳复合微球。再通过煅烧去除模板，得到锐钛矿型二氧化钛空心球。二氧化钛空心球的粒径为210nm，壳层厚度约为10nm。煅烧前的二氧化钛空心球，壳层是疏松的、未结晶的二氧化钛晶粒构成的。煅烧过程中，模板的损耗直接导致壳层体积收缩。随着壳层的结晶，疏松的结构逐渐紧致。正是这两个作用，协同导致二氧化钛空心球粒径缩小，但未影响微球的球形度和粒径分布的均匀性。XRD结果表明，二氧化钛空心球的晶形，可通过调节煅烧温度来控制。当煅烧温度为500℃时，得到锐钛矿型的二氧化钛；当煅烧温度为800℃时，得到金红石型的二氧化钛。
　　 3.将制备所得的二氧化钛空心球，按一定配量与碳粉混合均匀，然后完全浸润在水合肼（H2NNH2·H2O）中，密闭于容器中，进行微波辐照氮掺杂改性。在相同照射时间下，掺氮后的二氧化钛空心球，对重铬酸钾的降解率明显高于掺氮前的二氧化钛空心球，说明氮杂使二氧化钛空心球具有更好的光催化性能。XRD结果表明，掺氮前后二氧化钛空心球都是单一的锐钛矿晶形，微波辐照掺氮，并没有改变二氧化钛的晶体结构，也没有产生晶格缺陷。XPS分析表明，氮元素以N3-的形式掺杂到二氧化钛晶相中，样品中N的含量为1.03％。微波辐照时间为30min时，氮杂二氧化钛的光催化性能最好。
　　 4.采用溶胶-凝胶法，以硫脲为硫源，在钛前驱体中引入硫元素，制备了硫掺杂二氧化钛空心球。实验结果表明，掺杂对二氧化钛空心球的形貌及粒径大小影响并不大，对粒径的单分散分布略有影响。XRD结果表明，硫元素的掺入，不改变二氧化钛的晶格结构，但掺杂改变了二氧化钛的锐钛矿晶形。并且二氧化钛空心球锐钛矿型晶粒的尺寸缩小，能保证更高的表面积，因而对二氧化钛空心球的光催化性能的提高，起到积极的作用。通过XPS分析，证明硫元素以S4+形式掺杂到二氧化钛晶相中，样品中S的含量为1.91％。
　　 5.显色液配比为4.00ml乙酰丙酮显色液和4.00 ml甲醛标准使用液，加热温度为100℃，加热时间为10min，在光催化实验测定波长为414 nm。光催化降解甲醛的性能实验结果，证明掺杂后的二氧化钛空心球的光催化活性明显优于未掺杂的二氧化钛空心球。且两者的光催化性能皆比二氧化钛粉体（P25）的好。研究了催化剂用量、催化时间和催化环境对光催化性能的影响。在硫掺杂二氧化钛空心球120mg，紫外光下照射120min后，甲醛的降解率可达79.4％。

目录

文摘

英文文摘

第1章 文献综述

1.1 引言

1.2 二氧化钛的光催化原理

1.3 模板法制备二氧化钛空心球

1.3.1 软模板法制备二氧化钛空心球

1.3.2 硬模板法制备二氧化钛空心球

1.4 二氧化钛光催化性能改性的研究

1.4.1 元素掺杂改性二氧化钛

1.4.2 复合半导体改性二氧化钛

1.5 研究背景与研究内容

1.5.1 研究背景

1.5.2 研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验设备与试剂

2.2 样品的制备

2.2.1 P（St-HEA）单分散微球模板的制备

2.2.2 二氧化钛空心球的制备

2.2.3 氮掺杂二氧化钛空心球的制备

2.2.4 硫掺杂二氧化钛空心球的制备

2.3 掺杂二氧化钛空心球的光催化实验

2.3.1 氮掺杂二氧化钛空心球的光催化实验

2.3.2 硫掺杂二氧化钛空心球光催化降解甲醛的实验

2.4 测试与表征

2.4.1 转化率（C％）的测定

2.4.2 傅里叶红外光谱（FT-IR）分析

2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）分析

2.4.4 激光粒度仪分析

2.4.5 透射电镜（TEM）分析

2.4.6 X射线衍射（XRD）分析

2.4.7 X射线光电子能谱（XPS）分析

2.4.8 紫外-可见光光谱（UV-vis）分析

2.4.9 pH值的测定

第3章 单分散P（St-HEA）微球模板的制备与表征

3.1 引言

3.2 单分散P（St-HEA）微球的表征

3.2.1 反应温度和时间对单体转化率的影响

3.2.2 引发剂用量对单体转化率的影响

3.2.3 P（St-HEA）微球的FT-IR分析

3.2.4 HEA的用量对P（St-HEA）微球粒径及其单分散性的影响

3.3 本章小结

第4章 二氧化钛空心球的制备与表征

4.1 引言

4.2 二氧化钛空心球的表征

4.2.1 P（St-HEA）模板的修饰

4.2.2 各反应历程中微球的粒径及其分布

4.2.3 二氧化钛空心球的SEM和TEM分析

4.2.4 二氧化钛空心球的XRD分析

4.3 本章小结

第5章 氮掺杂二氧化钛空心球的制备与表征

5.1 引言

5.2 氮掺杂二氧化钛空心球的表征

5.2.1 氮掺杂二氧化钛空心球的粒径及分布

5.2.2 氮掺杂二氧化钛空心球的XRD分析

5.2.3 氮掺杂二氧化钛空心球的XPS能谱分析

5.3 光催化性能测试

5.3.1 掺氮对光催化性能的影响

5.3.2 微波辐照时间对光催化性能的影响

5.4 本章小结

第6章 硫掺杂二氧化钛空心球的制备与表征

6.1 引言

6.2 硫元素掺杂二氧化钛空心球的表征

6.2.1 硫元素掺杂二氧化钛空心球的粒径及其分布

6.2.2 硫掺杂二氧化钛空心球的XRD分析

6.2.3 硫掺杂二氧化钛空心球的的XPS能谱分析

6.3 本章小结

第7章 硫掺杂二氧化钛空心球光催化降解甲醛的性能研究

7.1 引言

7.2 光催化降解甲醛乙酰丙酮显色溶液的实验

7.2.1 甲醛标准曲线的绘制

7.2.2 乙酰丙酮显色液用量的选择

7.2.3 显色温度和显色时间的选择

7.3 硫掺杂前后二氧化钛空心球光催化性能的对比

7.3.1 硫掺杂前后二氧化钛空心球光催化性能随时间的变化

7.3.2 硫掺杂前后二氧化钛空心球的用量对光催化性能的影响

7.3.3 硫掺杂二氧化钛空心球在不同环境下的光催化性能对比

7.4 本章小结

第8章 全文小结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢