基于静电纺丝法制备阶层式多孔二氧化钛基纳米复合纤维及其光催化性能研究

摘要

二氧化钛材料是一种高效、稳定、价廉、环保的光催化剂，由于其带隙较宽，仅在紫外光区域有光响应，因此对太阳光的利用效率较低。通过添加窄带隙无机粒子，进而拓宽二氧化钛纳米材料的光响应范围，是提高其光催化性能的一种有效途径。本工作将“自上而下”的模板法（静电纺丝）与“自下而上”的组装方法（嵌段共聚物微相分离）相结合，采用“一步法”或“分步法”两种不同策略，成功制备了二氧化钛/三氧化钨、二氧化钛/磷钨酸、二氧化钛/金纳米颗粒的复合纤维。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪（XRD）等手段表征了其结构，以X射线光电子能谱分析(XPS)、示差扫描量热仪（DSC）等结果为基础，探讨了其形成机理；并以乙醛气体和罗丹明B溶液作为模拟污染物，系统考察了所制备复合材料的光催化性能。
　　1.二氧化钛/三氧化钨纳米复合材料的制备与光催化性能研究：将聚苯乙烯-聚氧乙烯的嵌段共聚物（即PS-b-PEO）、异丙醇钛（二氧化钛前驱体）和苯酚钨（三氧化钨前驱体）共混于氯仿中静电纺丝，采用一步法，以受限情况下嵌段共聚物的自组装带动无机组分的选择性分布，经450 oC高温煅烧，成功制备了二氧化钛/三氧化钨无机氧化物纳米复合材料；该材料由二者物理混合而成，没有晶格尺寸的掺杂，且分布均匀，无团聚现象；与纯二氧化钛相比，所得复合材料在紫外区和可见区的光吸收性能均有显著提高，因此，当三氧化钨的质量分数为15％时，复合材料表现出最佳的光催化降解罗丹明B溶液的性能，性能的提高可被归结为二氧化钛与三氧化钨之间有效的异质构造；
　　2.二氧化钛/磷钨酸纳米复合材料的制备与光催化性能研究：将PS-b-PEO、异丙醇钛（二氧化钛前驱体）和磷钨酸（或经聚苯乙烯修饰过的磷钨酸）共混于氯仿中静电纺丝，同样采用一步法，以受限情况下嵌段共聚物的微相分离诱导无机组分的结构，制备了二氧化钛/磷钨酸无机纳米复合纤维；SEM和TEM结果表明，未经修饰的磷钨酸在与二氧化钛的复合过程中出现了明显的团聚现象，导致其在罗丹明B溶液降解中光催化性能表现不佳；而经过PS修饰的磷钨酸在嵌段共聚物中PS段的诱导下，选择性分布于二氧化钛表面，从而实现了与二氧化钛在纳米尺度上的掺杂，因此在降解罗丹明B的测试中表现出良好的光催化性能；
　　3.二氧化钛/金纳米颗粒纳米复合材料的制备与光催化性能研究：将静电纺丝制备的二氧化钛纳米纤维构成的无纺布臵于氯金酸溶液中采用光还原法分步制备了二氧化钛/金纳米颗粒复合纤维；系统研究了氯金酸溶液浓度和光还原时间等因素对金纳米颗粒的大小、尺寸分散程度以及颗粒数量等的影响规律；将所得材料用于罗丹明B溶液的降解实验，结果表明：金纳米颗粒的结构显著影响复合材料的光催化性能，在氯金酸溶液浓度为0.2 mM，光还原时间为1小时条件下制备的二氧化钛/金纳米颗粒复合纤维所构成的无纺布具有最佳光催化性能，性能的提高来源于金纳米粒子在二氧化钛表面所起到的表面等离子共振效应。

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第一章 绪 论

1.1 二氧化钛材料的概述

1.2二氧化钛的光催化性能研究

1.3 二氧化钛材料的制备方法

1.4 二氧化钛纳米复合材料

1.5 论文的立题依据与研究目标

第二章 静电纺丝模板法制备WO3/TiO2纳米复合纤维

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 静电纺丝模板法制备TiO2/H3PW12O40纳米复合纤维

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 静电纺丝模板法制备TiO2/Au纳米复合纤维

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

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

附录（攻读硕士学位期间主要科研成果）