微纳分等级UTG-Ag复合物的制备及性能研究

摘要

纳米TiO2半导体材料具有无毒、环境友好性、高化学稳定性、高热稳定性及价格低廉等优势，使其在光催化降解有机污染物、锂离子电池、光分解水制氢、染料敏化太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池等领域受到广泛的关注。但是TiO2自身的缺点也极大地限制了其应用，如:宽的禁带宽度（锐钛矿型，3.2eV）致使TiO2只能吸收只占太阳能光谱能量5％的紫外光，而在可见光区几乎没有吸收，导致材料对太阳光的利用率低下;以光生电子-空穴对易复合的特点减少了有效光生电子，空穴的数目，进一步导致材料的量子效率低下。因此，改性TiO2以提高材料性能很有必要。在以往的研究中，研究者主要从晶型调控、离子掺杂、半导体复合、染料敏化、形貌调控以及贵金属负载等方法改性TiO2，并取得了不错的效果。本文将结合形貌调控、材料复合以及贵金属负载等方法改性TiO2，提高其对可见光的吸收及抑制光生电子-空穴对的复合。文章中，以钛酸正四丁酯(TBT)、四氯化钛(TiC14)为钛源，以氧化石墨烯(GO)和硝酸银为原料，结合溶剂热法和水热法，制备出三维海胆型TiO2/还原石墨烯(UTG)复合物和三维海胆型TiO2/还原石墨烯/Ag(UTG-Ag)复合物，并对材料的形貌、晶型结构、成份、光学性能以及光催化降解能力进行了研究分析。主要结果如下:
　　(1)以TBT和TiCl4为钛源，通过溶剂热法制备出由一维纳米棒组装成的三维海胆型TiO2(UT)纳米材料，再以此材料及GO为原料，采用水热法制备出含有还原石墨烯(RGO)不同质量分数的UTG复合物(0wt％,2.5wt％，5wt.％，7.5wt.％，10wt.％）。探究了不同水热反应温度及时间对UTG复合物形貌的影响，SEM分析表明过高的水热反应温度及过久的反应时间会破坏UTG微球海胆型的形貌，在150℃、6小时的水热反应条件下，制备的UTG复合物拥有良好的海胆型形貌;XD、TEM分析表明UTG复合物中的TiO2为金红石结构;红外光谱、拉曼光谱及XPS分析表明GO在水热反应后被还原为RGO;红外光谱及XPS表明RGO与UT之间形成了Ti-O-C键，UT与RGO通过Ti-O-C键复合在一起;紫外-可见光漫反射光谱表明，UTG复合物的光吸收边缘红移到430nm左右且在可见光区有很强的光吸收;对RhB的光催化降解实验表明，与RGO复合能极大地提高UT的光催化降解能力，其中RGO质量分数为5％时，性能最优，其在3小时暗处理及3小时光照射后，对罗丹明B的降解率达到98.7％。
　　(2)以制备好的适量UT粉末、GO及AgNO3为前驱物，通过水热法制备出含有纳米Ag不同摩尔分数的UTG-Ag复合物(Ag/Ti原子摩尔比为0％，3％，5％，7％，9％)。SEM和TEM分析表明，在150℃、6小时的水热反应条件下制备的UTG-Ag具有完整的三维海胆型形貌。XRD和TEM表明UTG-Ag复合物中的TiO2为金红石型，红外光谱、拉曼光谱及XPS分析表明GO在水热反应后被还原为RGO，RGO与UT之间形成了Ti-O-C键，UTG-Ag复合物中RGO与UT通过Ti-O-C键复合在一起，TEM显著表明Ag纳米颗粒负载在微球表面，且EDS能谱图和XPS证实了Ag单质的存在。紫外-可见光漫反射光谱表明UTG-Ag复合物具有比UTG更好的对光吸收，且由于表面纳米Ag的等离子共振效应，在可见光区存很强的吸收峰。光催化降解RhB实验表明UTG-Ag的光催化降解能力比UTG更好，在3小时暗处理和90分钟的光照射后，样品对罗丹明B的降解率达到98.45％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 二氧化钛

1．2．1 二氧化钛的晶体结构与性质

1．2．2 二氧化钛的光催化降解机理

1．3 纳米二氧化钛的制备方法

1．3．1 水热法

1．3．2 溶剂热法

1．3．3 溶胶-凝胶法

1．3．4 自组装法

1．3．5 液相沉淀法

1．4 二氧化钛的改性方法

1．4．1 晶体结构及尺寸调控

1．4．2 形貌调控

1．4．3 半导体复合

1．4．4 离子掺杂

1．4．5 表面贵金属沉积

1．4．6 表面染料敏化

1．5 纳米二氧化钛的应用

1．5．1 光催化降解污染物

1．5．2 锂离子电池

1．5．3 太阳能电池

1．5．4 抗菌、杀毒

1．6 论文的主要研究内容及意义

第二章 UTG复合物的制备、表征及性能研究

2．1 引言

2．2 UTG的制备及表征

2．2．1 实验原料与化学试剂

2．2．2 UTG复合物的制备

2．2．3 光催化性能实验

2．2．4 UTG复合物的测试表征

2．3 实验结果讨论与分析

2．3．1 纯UT的形貌及晶型分析

2．3．2 水热反应时间对UTG复合物形貌的影响探究

2．3．3 水热反应温度对UTG复合物形貌的影响

2．3．4 UTG复合物形貌及晶型结构分析

2．3．5 XRD图谱分析

2．3．6 红外光谱图谱分析

2．3．7 拉曼光谱图谱分析

2．3．8 UTG复合物的XPS图谱分析

2．3．9 UTG复合物的光学性能分析

2．3．10 UTG复合物的光催化活性研究

2．3．11 UTG复合物的光催化机制

2．4 本章小结

第三章 UTG-Ag复合物的制备、表征及性能研究

3．1 引言

3．2 UTG-Ag复合物的制备及表征

3．2．1 实验原料与化学药品

3．2．2 实验仪器

3．2．3 UTG-Ag复合物微纳材料的制备

3．2．5 光催化性能试验

3．3 实验结果讨论与分析

3．3．1 XRD图谱分析

3．3．2 红外光谱图谱分析

3．3．3 UTG-Ag复合物的形貌、成分及晶型结构分析

3．3．4 拉曼光谱谱图分析

3．3．5 UTG-Ag复合物的XPS图谱分析

3．3．6 UTG-Ag复合物的光学性质分析

3．3．7 UTG-Ag复合物的光催化活性研究

3．3．8 UTG-Ag复合物的光催化机制

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

附录