可见光响应型纳晶TiO2光催化剂的制备及其性能的研究

摘要

TiO2是一种重要的光电功能材料，具有化学稳定性高、抗光腐蚀性能强、廉价易得，以及安全无毒等优良的性能而被广泛应用。本文采用新型溶胶-凝胶法，以钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)为钛源、冰醋酸(HAc)为水解抑制剂、无水乙醇(EtOH)为溶剂、超细铵盐为载体，制备了可见光响应型纳晶TiO2高效光催化剂。利用差热-热失重分析(TG-DTA)、X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)，以及氮气等温吸附-脱附等技术对样品的组成、结构和微观形貌进行研究与分析。结果表明，碳酸铵(C2H11N3O5)水溶加入低温的HAc改性Ti(OC4H9)4的EtOH溶液，溶剂性质的改变和体系温度的降低，使碳酸铵、碳酸氢铵和醋酸铵等铵盐的溶解度大幅度下降，导致这些铵盐达到过饱和状态，迅速形成大量的超细铵盐晶核;与此同时Ti(OC4H9)4水解、缩合生成的Ti(OH)4沉积在超细铵盐晶体表面，抑制其生长等竞争过程，逐渐凝胶化，陈化、干燥获得复合干凝胶;复合干凝胶经低温热处理，使Ti(OH)4脱水形成TiO2，同时超细铵盐热分解、挥发产生大量的气体，阻碍样品的团聚，C、N原子扩散进入TiO2的结点和间隙位置，活化其晶格，促进TiO2从无定型转化为锐钛矿型，最终获得N、C共掺杂的锐钛矿型TiO2纳晶样品。样品为单一的锐钛矿相，样品颗粒均匀、尺寸细小、且分散性好，BJH模型计算平均孔径为3.6nm、孔体积为0.27mL/g，以及比表面(BET)达到了356m2/g。以氙灯为可见光光源，罗丹明B(RB)水溶液为模拟污染物，以及P25为参比光催化剂，评价其可见光催化性能。结果表明，本文巧妙的采用新型溶胶-凝胶法制备的N、C共掺杂纳晶TiO2在模拟可见光照射条件下具有良好的光催化活性。复合干凝胶经300℃热处理获得的样品对RB水溶液的降解率在60min内达到78.6％，120min内达到了97.1％，基本上将RB降解完全，可见光催化性能性明显高于P25。
　　 为了进一步改善光催化性能，选用氯铂酸(H2PtCl6)为Pt源，H2PtCl6的EtOH溶液添加HAc改性Ti(OC4H9)4的EtOH溶液，制备Pt负载型纳晶TiO2光催化剂。Pt负载量较小，XRD检测未发现Pt相关的衍射峰，样品仍为单一的锐钛矿型纳晶。Pt负载进一步扩展TiO2纳晶的光响应范围，减少了纳晶TiO2中电子与空穴复合几率，改善其光催化性能。对罗丹明B溶液降解的结果表明，添加380μL浓度为2mg/mL的H2PtCl6制备的Pt负载型TiO2纳晶的光催化降解率最高，可见光照射条件下，90min内对RB溶液的降解率达到了97.45％。

目录

摘要

第一章 绪论

1.1 纳米材料的概述

1.2 纳米材料的特性

1.3 纳米光电材料

1.3.1 光催化剂的类型

1.3.2 纳米TiO2的制备方法

1.4 TiO2光催化反应原理

1.5 纳米TiO2的改性

1.5.1 染料敏化

1.5.2 掺杂

1.5.3 负载

1.6 纳米TiO2在光催化方面的应用

1.6.1 污水处理

1.6.2 空气净化

1.6.3 除霉、抗菌、除臭

1.7 论文的选题目的和主要研究内容

第二章 溶胶-凝胶法制备纳晶TiO2光催化剂及其可见光催化活性研究

2.1 实验试剂及仪器

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 实验部分

2.2.1 纳米TiO2光催化剂的制备

2.2.2 光催化反应

2.2.3 标准曲线的绘制

2.3.结果与讨论

2.3.1 TEM分析

2.3.2 XRD分析

2.3.3 XPS分析

2.3.4 差热-热失重分析

2.3.5 BET分析

2.3.6 催化性能分析

2.3.7 焙烧时间的影响

2.4 本章小结

第三章 Pt负载纳晶TiO2光催化剂的制备及其可见光催化活性研究

3.1 实验部分

3.1.1 Pt负载催化剂的制备

3.1.2 光催化反应

3.2 结果与讨论

3.2.1 TEM分析

3.2.2 XRD结果分析

3.2.3 差热-热失重分析

3.2.4 BET分析

3.2.5 紫外-可见吸收光谱分析

3.2.6 催化效率分析

3.2.7 未负载与Pt负载TiO2的催化性能比较

3.2.8 Pt负载量对催化效率的影响

3.2.9 Pt负载TiO2催化机理

3.3 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

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