N掺杂介孔TiO2纳米晶:超声-水热法制备及其光催化活性

摘要

迄今，以二氧化钛作为典范的纳米半导体光催化材料受到国内外研究者的广泛关注，也因其化学性质稳定、光催化活性高、无毒、廉价等特点而成为工业应用的首选。但传统TiO2光催化剂存在太阳光利用率低、形态形貌不可控、热稳定性差等诸多瓶颈，阻碍了其应用规模化、产业化。为此，本文以钛酸正四丁酯作为钛源，通过对工艺条件、制备方法、改性手段和以水中亚甲基蓝(MB)作为探针的水处理功能化应用进行全面探究和系统优化，成功制得具有高可见光催化活性的N掺杂介孔TiO2纳米晶;采用XPS、XRD、UV-VisDRS、FT-IR和N2吸脱附等多种表征手段对所制备样品进行物性表征。具体内容如下:
　　 第一部分，通过比较考察超声、水热和超声-水热等三种不同方法的优劣，以优化制备方法。结果显示，不同实验方法对TiO2晶型无显著影响。但超声与水热的联用所制备的样品粒径尺寸最小，比表面积和孔容最大，孔径分布均匀且介孔规整，可见光照射下对水中MB降解率最高，180min后降解率高达99.65％。二者的协同作用使得制备样品的性能明显优于另两种方法，为TiO2制备方法的研究提供了新思路。
　　 第二部分，采用超声-水热法，1，12-十二烷基二胺(DADD)作为模板剂，兼具氮源，成功制得N掺杂介孔TiO2纳米晶。同时设置不加模板剂的空白对照实验，考察模板剂对TiO2性能的影响。结果显示，模板剂的添加不仅有利于增加产物比表面积和孔容，起到造孔和孔调节的作用，还可获得取代氮和间隙氮两种形式氮，实现N的有效掺杂，大幅度提高TiO2的可见光催化活性。为改性TiO2提供一种新的兼具模板剂和氮源双重功效的材料和选择方向。
　　 第三部分，以超声-水热法为核心制备方法，DADD作为模板剂和氮源，选取反应体系pH值为主要影响因素，通过改变不同条件制备不同N掺杂介孔TiO2纳米晶。结果显示，反应体系不同pH值对所制备样品晶型、孔结构、光催化活性等均有显著影响。综合比较，pH=7反应体系所制备的TiO2比表面积高达135.8m2/g，且所形成的双孔形状规整、分布均匀;可见光下180min对10mg/L的MB水溶液降解率高达99.65％，具有高可见光催化活性。推断主要原因是反应体系pH值会改变DADD两端的-NH2所带电荷，而DADD带电荷情况、存在形式和亲疏水性的不同会导致所制备样品的孔结构和形态形貌的差异，从而影响TiO2的吸附性能和光催化活性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米粒子特性

1．1．1 体积效应

1．1．2 表面效应

1．1．3 量子尺寸效应

1．1．4 宏观量子隧道效应

1．2 TiO2光催化技术概述

1．2．1 光催化技术特点

1．2．2 TiO2光催化反应机理

1．2．3 TiO2光催化活性的主要影响因素

1．3 TiO2改性研究概述

1．3．1 TiO2光催化技术应用瓶颈

1．3．2 TiO2改性技术进展

1．4 纳米TiO2的应用

1．4．1 作催化剂载体

1．4．2 作传惑器材科

1．4．3 作杀菌材料

1．4．4 作光催化剂

1．5 染料废水概述

1．5．1 染料废水特点及危害

1．5．2 染料废水治理方法概述

1．6 论文主要内容及创新点

第二章 介孔TiO2纳米晶的制备、表征及光催化活性研究

2．1 TiO2制备方法研究进展

2．1．1 气相法

2．1．2 液相法

2．1．3 本章立意与创新点

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 实验制备流程

2．2．3 表征手段

2．2．4 光催化活性研究

2．3 结果与讨论

2．3．1 XRD分析

2．3．2 BET分析

2．3．4 FT-IR分析

2．3．5 光催化活性分析

2．4 本章小结

第三章 模板剂对介孔TiO2纳米晶的影响研究

3．1 模板法概述

3．1．1 非模板法

3．1．2 非表面活性剂模板法

3．1．3 表面活性剂模板法

3．1．4 本章立意与创新点

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 实验制备流程

3．2．3 表征手段

3．2．4 光催化活性研究

3．3 结果与讨论

3．3．1 XRD分析

3．3．2 BET分析

3．3．3 TEM分析

3．3．4 XPS分析

3．3．5 FT-IR分析

3．3．6 UV-Vis DRS分析

3．3．7 光催化活性分析

3．4 本章小结

第四章 制备体系pH对介孔TiO2纳米晶的影响研究

4．1 研究背景

4．1．1 国内外研究进展

4．1．2 本章立意与创新点

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 实验制备流程

4．2．3 表征手段

4．2．4 光催化活性研究

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 BET分析

4．3．3 XPS分析

4．3．4 UV-Vis DRS分析

4．3．5 光催化活性分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文及其他科研成果

学位论文评阅及答辩情况表