嵌段共聚物导向下介孔TiO的合成与表征

摘要

氧化钛(TiO<,2>)是一种重要的化工材料，广泛应用于催化、光催化、颜料等领域。介孔氧化钛具有高的比表面积和大的孔径，能有效的进行主客体复合组装，从而大幅提高主客体性能，可望成为新一代催化剂载体材料和绿色彻底消除环境污染的首选材料。 本论文以商品化的聚氧乙烯一聚氧丙烯三嵌段聚醚(PEO-PPO-PEO)为结构导向剂，采用湿化学法制备出具有多种形貌的介孔TiO<,2>粉体，深入研究了制备条件对介孔结构的影响，得到了最佳合成工艺，探讨了此类表面活性剂导向下的合成规律及形貌形成机理，并且考察了介孔TiO<,2>的的光催化、吸附和介电性能以及阳离子掺杂对性能的影响。 本论文研究了溶胶一凝胶法(Sol-gel)制各TiO<,2>过程中无机前驱体种类及浓度、表面活性剂种类及浓度、溶剂种类、抑制剂浓度及水的用量等对材料合成的影响。研究发现影响介孔材料结构的最大的因素是表面活性剂的种类和浓度，得到了以P103(EO<,17>PO<,60>EO<,17>)、P123(EO<,20>PO<,70>EO<,20>)、F127(EO<,106>PO<,70>EO<,106>)为结构导向剂制备介孔TiO<,2>的最佳配比。在此基础上，我们采用改进的溶胶一凝胶法，以P123为结构导向剂，制备了具有球形、假六方片状、棒状等不同形貌结构的介孔TiO<,2>粉体，通过透射电镜研究粉体形貌和采用偏光显微分析液晶中间相，发现粉体微观形貌和中间相具有光学上相同的拓扑结构，并采用微相分离机制解释了介孔形貌的形成过程。 沉淀法在成本、效率和合成工艺上具有综合优势，我们采用沉淀法，以P103为结构导向剂，通过微波处理制备出具有介孔结构的棒状TiO<,2>粉体，TiO<,2>纳米棒是由单颗粒定向组装形成的，介孔源自颗粒组装间隙和形成的类液晶结构中间相的疏无机物区。微波处理对于保持介孔结构和形成棒状形貌起重要作用。 热处理过程对介孔结构的形成具有重要影响，实验采用改进的Sol-gel法，以F127为结构导向剂，采用混合Ti源，讨论了不同的热处理制度对TiO<,2>粉体结构的影响，研究发现较快的升温速度有助于得到高的比表面积材料和介孔结构的保持。 材料的微观结构决定形成介孔结构的难易。论文对比了介孔TiO<,2>和介孔TiO<,2>的合成，通过引入占有体积分数这个概念考察了过渡金属氧化物介孔材料合成困难的原因。研究表明容易得到玻璃态的物质是容易制备出介孔结构的，组成材料的最小基元的柔性是决定形成材料的维度，只有足够柔性的基元才能得到多维多形态的材料。 性能是决定用途的主要因素。通过对比介孔TiO<,2>和非介孔TiO<,2>的光催化性能我们得出结论，介孔TiO<,2>的光催化性能并不一定比非介孔TiO<,2>更好，只有适当细度的TiO<,2>才具有最佳光催化性能。介孔TiO<,2>相比非介孔TiO<,2>具有更大的比表面积，在N<,2>吸附过程中表现出更好的吸附性能，介孔材料的定压吸附曲线具有和雷纳德一琼斯势能曲线相似的形貌，可能被用于孔结构的分析。电性能研究表明介孔TiO<,2>和非介孔TiO<,2>并没有本质区别，孔道结构对介电性能并没有特殊供献，比表面积和晶粒尺度是影响电性能的主要因素。阳离子掺杂研究表明不同种类阳离子对比表面积的影响是不同的。但阳离子掺杂对介孔结构的破坏作用是显而易见的。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文知识产权权属声明

第一章文献综述

1.1纳米材料概述

1.2介孔材料概述

1.3介孔材料合成机理

1.4表面活性剂和介孔结构

1.5非硅基介孔材料

1.6介孔材料的应用

1.6.1催化

1.6.2光学

1.6.3吸附与分离

1.6.4电磁学

1.6.5其它应用

1.7介孔材料的表征

1.7.1比表面积的测定

1.7.2孔径及孔分布的研究

1.7.3表观密度和孔隙率的测定

1.8介孔材料的发展趋势与展望

1.9选题依据及思路

第二章PEO-PPO-PEO嵌段共聚物导向下介孔TiO2的合成

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2合成方法

2.2.3测试表征

2.3溶胶—凝胶法制备TiO2的合成工艺

2.3.1 Ti前驱体浓度的影响

2.3.2表面活性剂浓度的影响

2.3.3催化剂HCl浓度的影响

2.3.4水的用量的影响

2.3.5溶剂的影响

2.3.6溶胶—凝胶法制备TiO2的最佳配比

2.4具有多种形貌的介孔TiO2的溶胶—凝胶法合成

2.5介孔TiO2的沉淀法制备

2.6热处理制度对介孔结构的影响

2.7介孔TiO2和介孔SiO2的讨论

2.8本章小结

第三章介孔TiO2的性能

3.1引言

3.2介孔TiO2的催化性能

3.3介孔TiO2的吸附性能

3.4介孔TiO2的电性能

3.5掺杂对介孔TiO2性能的影响

3.5本章小结

第四章结论与展望

4.1结论

4.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位发表论文