纳米晶二氧化钛的晶相、织构及光催化性能研究

摘要

半导体光催化是一门集光学、电化学、材料学、表面化学和催化化学于一体的综合性学科，其特征是半导体材料通过有效吸收光能产生具有极强氧化能力和还原能力的光生空穴和电子，在催化剂表面发生直接或间接的氧化或还原反应。半导体光催化引起科学界普遍兴趣的主要原因在于其对能源利用和环境净化问题的潜在价值。 半导体光催化研究已开展30多年，取得了一些研究成果，但仍然存在许多必须解决的关键性问题。从基础研究的角度来说，高效的半导体光催化剂仍需进一步探索。就目前研究较多的TiO2系光催化剂而言，其较宽的禁带宽度和较低的量子效率仍然是限制其发展的主要原因。同时对于光催化的真实反应历程，仍然没有统一的认识，这还需要借助现代物理技术的发展，通过原位技术进一步揭示光催化反应的本质；从实际应用角度来说，超细或纳米型半导体催化剂难以分离，并且负载化后活性的下降及有效组份的流失等问题仍有待解决。此外，光催化反应器的合理设计也不可忽视，除涉及到传统催化反应器的传热、传质问题外，如何有效地利用入射光也必须加以考虑。对于一些需要外场(如电场、微波场和磁场等)辅助的光催化反应，其反应器的设计更加复杂，需要综合协调考虑各种因素。 针对目前半导体光催化领域存在的这些问题，我们从催化剂的结构和形貌入手，通过对制备方法和制备条件的优化，制备不同系列的光催化剂，探究晶相、织构及表面性质对活性的影响本质，为进一步发展实用性光催化技术积累经验。本论文主要开展了以下几方面工作：一、低温鼓泡水解法制备葡萄状多级结构TiO2小球及其光催化活性研究。二、有序介孔结构TiO2光催化剂的制备及其光催化活性研究。三、非水sol-gel方法制备不同结构TiO2光催化剂及其光催化活性研究。

目录

文摘

英文文摘

论文独创性声明及论文使用授权声明

第一章前言

1.1半导体光催化背景概述

1.1.1半导体光催化在能源转化上的发展

1.1.2半导体光催化在环境治理上的发展

1.1.3半导体光催化的其他应用

1.1.4半导体光催化目前存在的主要问题

1.2半导体光催化原理分析

1.2.1多相催化反应机理

1.2.2光催化的催化原理

1.3半导体光催化的影响因素及促进途径

1.3.1催化剂方面

1.3.2反应条件方面

1.3.3非常规技术对半导体光催化的影响

1.3.4光催化反应器

1.4立题依据与研究方案

1.4.1立题依据

1.4.2研究方案

第二章实验部分

2.1原料与试剂

2.2催化剂表征方法

2.2.1 X射线粉末衍射(XRD)

2.2.2物理吸附仪

2.2.3扫描电镜(SEM)

2.2.4透射电镜(TEM)

2.2.5紫外可见漫反射(UV-Vis Diffuse Reflectance Spectrum)

2.2.6激光拉曼(Laser Raman)

2.2.7 X射线光电子能谱(XPS)

2.2.8原位红外漫反射测试(In-stiu DRIFTS)

2.2.9热重测试(TG-DTA)

2.3光催化活性测试

2.3.1液-固相光催化活性测试

2.3.2气-固相光催化活性测试

第三章低温鼓泡水解法制备多级结构TiO2小球及其光催化活性研究

3.1引言

3.2催化剂的制备和光催化活性测试

3.3 TiO2样品多级结构的确定

3.4焙烧温度对催化剂结构及活性的影响

3.5表面活性剂浓度对催化剂结构及活性的影响

3.6鼓泡时间对催化剂结构及活性的影响

3.7鼓泡温度对催化剂结构及活性的影响

3.8催化剂结构与活性的关系讨论

3.9小结

第四章有序介孔结构TiO2光催化剂的制备及其光催化活性研究

4.1引言

4.2 TiM催化剂的制备和光催化活性测试

4.3焙烧温度对TiM催化剂结构的影响

4.3.1对孔结构及比表面积的影响

4.3.2对晶相结构及晶相比例的影响

4.4焙烧温度对TiM催化剂光催化活性的影响

4.5合成体系的原位酸性对TiM催化剂结构的影响

4.5.1对孔结构及比表面积的影响

4.5.2对晶相结构及晶相比例的影响

4.6原位酸性对TiM催化剂光催化活性的影响

4.7构效关系讨论

4.8小结

第五章非水sol-gel法在光催化中的应用(1)------TiCl4-苯甲醇低温醇解法

5.1引言

5.2催化剂的制备和活性测试

5.3催化剂的结构表征

5.3.1 XRD、TEM和N2吸脱附表征结果

5.3.2 DRIFTS,TG-DTA和DR UV-Vis表征结果

5.3.3 Raman和XPS表征结果

5.4催化剂的光催化活性

5.5构效关系讨论

5.5.1 NSG-TiO2光催化剂的自清洁应

5.5.2表面氧缺位的影响

5.5.3晶粒尺寸和残留碳物种的影响

5.6小结

第六章非水sol-gel法在光催化中的应用(2)——TiCl4-叔丁醇醇解法

6.1引言

6.2催化剂的制备和活性测试

6.3焙烧温度对直接干燥法制备NMT样品结构的影响

6.4焙烧温度对NMT样品和CNMT样品光催化活性的影响

6.5焙烧温度对超临界干燥法制备CNMT样品结构的影响

6.6直接干燥法和超临界干燥法在对水及非水凝胶处理的特点比较

6.7紫外辐照对直接干燥法所制样品的结构影响

6.8紫外辐照对直接干燥法所制样品的活性影响

6.9非水醇解结合紫外辐照的方法的特点

6.10小结

第七章非水sol-gel法在光催化中的应用（3）——TiCl4-叔丁醇醇热法

7.1引言

7.2催化剂的制备和活性测试

7.3叔丁醇醇热法制备NSTi样品的结构比较

7.4叔丁醇醇热法制备NSTi样品的活性比较

7.5小结

第八章总结与展望

参考文献

图表索引

博士期间发表文章

致谢