CuS纳米颗粒敏化的二氧化钛纳米管阵列的制备及其光催化性能研究

摘要

二氧化钛纳米管因其制备简单、价格低廉、具有较高的比表面积等，在染料敏化太阳能电池、光解水制氢、紫外光探测器和光催化剂等方面有广泛的应用，但二氧化钛是N型宽禁带半导体材料，禁带宽度达到3.2eV，仅可吸收约占太阳光5％的紫外光，对可见光几乎无吸收，而且其在光照下产生的电子-空穴对（electron-holepairs）极易复合，因而限制了其应用范围。用窄禁带半导体，如:CdS、CdSe、CuS等对其修饰，寄希望显著拓展其光吸收范围到可见光区且抑制光生电子空穴对的复合，故广泛探讨制备和应用TiO2纳米管(TNTAs)和其复合结构显得尤为重要。本论文的主要内容如下:
　　第一，利用简单的阳极氧化法，在一定阳极氧化电压下，于室温下制备了结构均一的二氧化钛纳米管阵列，并探讨了阳极氧化时间、阳极氧化电压、煅烧温度，对二氧化钛纳米管的形貌和晶型的影响。实验结果表明，阳极氧化时间和阳极氧化电压对产物的形貌有显著影响，煅烧温度对产物的晶型亦有显著影响。此外也研究了二次阳极氧化对TNTAs形貌的影响，最后探讨了二氧化钛纳米管阵列的形成机理和光催化机理。
　　第二，在无毒的油酸/石蜡体系中，分别以廉价的CuO和S粉为Cu源和S源在120℃下制备了大小均一，单分散性较好的CuS纳米颗粒(CuSNCs)。通过改变不同的Cu/S摩尔比和反应时间，探讨了其对CuSNCs形貌、晶相和光学性质的影响;同时，我们发现不同的清洗溶剂对CuSNCs最终形貌有显著影响;最后，我们也推测了在油酸/石蜡体系中制备单分散性CuSNCs的形成机理。
　　第三，本章我们拟采用两种不同的方法制备CuS敏化的二氧化钛纳米管阵列:一种是直接将在第二章中已制备的CuSNCs超声沉积到二氧化钛纳米管阵列上;另一种将二氧化钛纳米管阵列浸入到Cu源和S源的混合溶液中，于干燥箱中100℃下水热反应10h后即可制备CuS敏化的二氧化钛纳米管阵列，探讨了敏化时间对样品形貌、晶型和光学性质的影响。UV测试表明复合材料能增强其对可见光的吸收。最后，与未敏化的二氧化钛纳米管阵列相比，其罗丹明B溶液的降解率明显提高，敏化10h后的样品于1h后可见光催化降解罗丹明B的降解率达到71.3％。最后，其可见光光催化机理被详细讨论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 二氧化钛的性质及应用研究热点

1．2．1 二氧化钛的晶体结构

1．2．2 二氧化钛的能带结构

1．2．3 二氧化钛的研究热点

1．3 金属硫化物半导体的应用及研究热点

1．3．1 硫属金属化和物半导体的性质

1．3．2 金属硫化物半导体的应用研究热点

1．4 课题的提出及研究内容

1．4．1 课题的提出

1．4．2 课题的研究内容及创新点

第二章 阳极氧化法制备TNTAs及其结构性能表征

2．1 二氧化钛纳米管的制备方法

2．1．1 模板法

2．1．2 水热法

2．1．3 阳极氧化法

2．2 实验仪器与药品

2．3 二氧化钛纳米管阵列的制备

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 处理及阳极氧化前后的照片

2．4．2 阳极氧化电压的影响

2．4．3 阳极氧化时间的影响

2．4．4 煅烧温度对TNTAs晶型和形貌的影响

2．4．5 二次阳极氧化的影响

2．5 TNTAs的形成机理

2．6 TNTAs的光催化机理

2．7 本章小结

第三章 CuS纳米晶的制备与表征

3．1 实验药品与仪器

3．2 CuS纳米晶的制备步骤

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 不同Cu／S摩尔比对制备的CuSNCs的形貌的影响

3．3．2 不同清洗溶剂对CuS NCs的形貌影响

3．3．3 不同Cu2+／S2-摩尔比对制备的CuS纳米晶的晶型的影响

3．3．4 产物的紫外-可见-近红外光谱吸收

3．3．5 产物的荧光光谱分析

3．3．6 产物X射线光电子能谱分析

3．4 油酸／石蜡体系中CuS NCs的形成机理

3．5 本章小结

第四章 CuS敏化的TNTAs的制备及其可见光催化性能研究

4．1 掺杂

4．1．1 非金属元素掺杂

4．1．2 金属元素掺杂

4．1．3 多元素共掺杂

4．2 表面改性

4．2．1 量子点表面修饰

4．2．2 有机染料表面修饰

4．3 实验仪器与药品

4．4 CuS敏化的TNTAs的制备步骤

4．5 实验结果与讨论

4．5．1 敏化前后TNTAs的SEM对比图

4．5．2 不同敏化时间对TNTAs形貌的影响

4．5．3 不同敏化时间对TNTAs晶型的影响

4．5．4 产物的紫外-可见吸收分析

4．6 CuS／TiO2纳米管阵列的形成机理

4．7 CuS／TiO2纳米管阵列的可见光催化活性及反应机理的研究

4．7．1 退火前后的TNTAs对RhB的光催化活性

4．7．2 不同敏化时间的CuS／TNTAs对RhB的光催化活性

4．7．3 CuS／TNTAs对RhB的光催化活性重复利用率

4．7．4 CuS／TNTAs对RhB的光催化活性反应机理研究

4．8 本章小结

第五章 全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢