气相爆轰法制备TiO2基纳米光催化材料的研究

摘要

纳米TiO2因储量丰富、成本低、化学性质稳定、光催化氧化能力强、无毒、良好的环境相容性等优点在能源利用和环境净化等领域得到广泛的研究与应用。但在实际应用中纳米TiO2存在量子效率低、太阳能利用率低等问题，极大地限制了TiO2的应用前景。
　　气相爆轰法作为一种新型的纳米材料制备方法具有反应速率快，产率高，纯度高和操作工艺简单等优势。因此本文以TiCl4作为前驱体，H2和O2做为爆源，采用气相爆轰法制备纳米TiO2及TiO2基复合纳米光催化材料。研究气相爆轰法中爆轰参数与制备条件对TiO2的物相、形貌和光催化活性的影响，从而制得光催化活性最高的样品。为提高TiO2的光催化活性，通过气相爆轰法制备出S/TiO2(S=SnO2，SiO2，Fe2O3)复合光催化材料，研究不同的S负载量对复合样品物相、形貌和光催化活性的影响。本文主要工作包括以下几个方面:
　　1.结合气相爆轰理论，研究爆速和爆温对TiO2形貌结构的影响。同时对气相爆轰反应中TiO2成核、生长机理进行分析，并使用改进的颗粒长大模型对TiO2颗粒的长大过程进行模拟，模拟结果与实验基本相符合。
　　2.通过正交设计优化TiO2的制备工艺，研究制备条件对TiO2光催化活性的影响，并得到产物光催化性最优的制备条件。结果表明:TiC14用量对产物光催化性有高度显著影响，对产物平均粒径有一定影响。平均粒径越小，光催化活性越高;锐钛矿相结构有着比金红石相更高的光催化活性。选定初始温度130℃，TiC14∶H2为1∶2，TiCl4用量2ml，可以制备出光催化活性最高的样品，其平均粒径约为20nm，晶体结构为锐钛矿-金红石相混晶，锐钛矿相含量78.2％，禁带宽度为3.18eV，表观反应速率常数k为0.0997 min-1，光催化活性已接近商用P25光催化剂。
　　3.为提高TiO2的光催化活性，采用气相爆轰法制备SnO2-TiO2复合光催化材料的研究，通过调节前驱体中的Sn/Ti摩尔比，研究不同Sn/Ti摩尔比对产物形貌结构和光催化活性的影响。结果表明:SnO2与TiO2金红石相形成固溶体，能够促进样品金红石相的生成;SnO2的存在能抑制TiO2颗粒的长大，提高样品的比表面积和禁带宽度;SnO2与TiO2复合后形成异质结，能减少电子和空穴的的复合，提高样品的光催化活性。随着样品中Sn4+比率的提高，样品光催化活性先升高后降低，但均高于纯TiO2，其中Sn/Ti=1/4的样品有着最高的光催化活性，其平均粒径为19nm左右，金红石相含量49％，比表面积86m2/g，禁带宽度3.26eV，表观反应速率常数k=0.163 min-1，光催化活性高于商用P25光催化剂。
　　4.采用气相爆轰法制备SiO2-TiO2复合材料，研究不同SiO2含量对产物形貌结构和光催化活性的影响。结果表明:在制备的SiO2-TiO2复合材料中，TiO2表面空位被Si原子所填充后，形成Ti-O-Si结构，在表面形成保护层，这种结构的存在能抑制TiO2颗粒的长大和锐钛矿向金红石相的转变，提高样品的比表面积。过量的SiO2存在使得无定形SiO2将TiO2颗粒包覆，阻碍TiO2表面与甲基橙溶液的接触，对光催化活性产生不利影响。随着SiO2含量的提高，光催化活性先升高后降低，在SiO2含量在5％左右的样品有着最高的光催化性，其平均粒径15.3nm，比表面积77 m2/g，禁带宽度3.22eV，表观反应速率常数k=0.112min-1，光催化活性高于纯TiO2，略小于P25光催化剂。
　　5.采用气相爆轰法制备纳米Fe2O3-TiO2复合材料，研究不同Fe/Ti摩尔比对产物形貌结构和光催化活性的影响。结果表明:Fe3+能够促进锐钛矿相向金红石相转变;二茂铁在高温中的氧化能提高反应区爆温，导致TiO2颗粒粒径增大;Fe2O3与TiO2的复合能有效降低样品禁带宽度，提高样品在可见光区域内的吸光度;同时Fe2O3与TiO2复合后形成异质结，减少电子和空穴的的复合，有助于光催化活性的提高。随着前驱体二茂铁含量的提高，光催化活性先升高后降低。在前驱体Fe/Ti摩尔比为1％时，样品为锐钛矿相金红石相混晶结构，平均粒径在20nm左右，禁带宽度3.1eV，有着最高的光催化活性，表观反应速率常数为0.142min-1，光催化活性高于P25光催化剂。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1．2 TiO2的光催化原理

1．1．3 TiO2的光诱导超亲水特性

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 TiO2的制备合成

1．2．2 TiO2的应用研究

1．2．3 TiO2的光催化的发展现状

1．3 爆轰法在纳米合成中的应用

1．4 本文选题依据和主要研究内容

1．4．1 本文选题依据

1．4．2 本文研究内容

2 气相爆轰中爆轰参数对制备TiO2的影响

2．1 引言

2．2．1 爆轰波的经典理论

2．2．2 气体爆轰波C-J参数的计算理论

2．2．3 气体爆轰波参数的近似计算

2．2．4 爆温计算

2．3 实验及表征设备

2．3．1 实验设备

2．3．2 表征设备

2．4 爆速对制备TiO2的影响

2．4．1 实验材料

2．4．2 爆速测量

2．4．3 样品制备

2．4．4 结果与讨论

2．5 爆温对制备TiO2的影响

2．5．1 样品制备

2．5．2 爆温计算

2．5．3 结果与讨论

2．6 TiO2颗粒的生成机理与颗粒长大模型

2．6．1 颗粒的生成机理

2．6．2 颗粒长大模型

2．7 本章小结

3 正交设计制备纳米TiO2及其光催化性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 正交试验设计

3．2．3 样品制备

3．2．4 光催化实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 正交试验分析

3．3．2 XRD分析

3．3．3 TEM分析

3．3．4 BET与SEM分析

3．3．5 光催化性分析

3．4 补充实验

3．4．1 样品制备

3．4．2 XRD分析

3．4．3 TEM分析

3．4．4 紫外-可见光光谱分析

3．4．5 光催化性分析

3．5 本章小结

4 纳米SnO2-TiO2光催化材料的制备与光催化性研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．3 光催化实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 TEM分析

4．3．3 BET与SEM分析

4．3．4 紫外-可见光光谱分析

4．3．5 红外光谱分析

4．3．6 光催化性分析

4．3．7 光催化活性提高机理

4．4 本章小结

5 纳米SiO2-TiO2光催化材料的制备与光催化性研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．3 光催化实验

5．3 结果与讨论

5．3．1 XRD分析

5．3．2 TEM分析

5．3．3 BET与SEM分析

5．3．4 紫外-可见光光谱分析

5．3．5 红外光谱分析

5．3．6 光催化性分析

5．4 本章小结

6 纳米Fe2O3-TiO2光催化材料的制备与光催化性研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 实验材料

6．2．2 样品制备

6．2．3 光催化实验

6．3 结果与讨论

6．3．1 XRD分析

6．3．2 TEM分析

6．3．3 SEM分析

6．3．4 紫外-可见光光谱分析

6．3．5 红外光谱分析

6．3．6 光催化性分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介