PbTiO3纳米结构及其复合材料的湿化学制备、微结构与光催化性能研究

摘要

单晶铁电纳米结构的可控制备、表面与界面物理化学性能的研究已成为功能纳米材料领域的热点方向之一。钛酸铅是典型的钙钛矿铁电氧化物，研究其单晶纳米结构的可控制备与尺寸效应对于理解纳米尺寸的铁电性、拓展纳米铁电材料的功能与应用具有重要的科学意义。本文采用水热法成功制备了不同形貌的钛酸铅纳米结构，结合XRD、TEM等微结构分析研究了不同形貌钛酸铅纳米结构的成核-生长机制，探讨了碱浓度调制的生长机制转变。另一方面，论文采用具有单畴结构的钛酸铅纳米片为基底，制备了具有选择性光沉积行为的Ag2O/PbTiO3等复合材料，研究了其光沉积机理和光催化性能，取得了以下创新性成果:
　　(1)对比分析不同矿化剂浓度下钛酸铅纳米粒子随水热时间产物的变化得到:当碱浓度较低(1～2g)时，以铅氧化物中间态为成核位，发生非均相成核，然后通过奥斯瓦尔德熟化(OR)形成粒径在100～150nm的近立方状钙钛矿型钛酸铅纳米颗粒。随着碱浓度的增加(3g)，快速形成大量近立方状钙钛矿型钛酸铅纳米颗粒，其中一部分纳米颗粒自组装(OA)成片状结构，融合形成厚度为100～150nm，平均边长为359nm的钙钛矿型钛酸铅纳米片。当氢氧化钠浓度进一步增大(4～5g)时，铅氧化物片状结构作为模板，前驱体分解形成的二氧化钛纳米粒子通过原位异质成核，形成钛酸铅薄片状结构，薄片通过自组装叠加(OA)形成厚度为150～250nm，边长为400～1500nm的钛酸铅纳米片。
　　(2)用波长大于420nm的氙灯照射，氧化银纳米颗粒选择性地沉积在钛酸铅纳米片的正极化面上。大量实验研究表明其可能的沉积机理是可见光照下，钛酸铅纳米片表面产生电子空穴对，在钛酸铅纳米片的铁电自发极化作用下，光生电子被聚集在纳米片的正极化面，银离子捕获电子形成银纳米晶;同时，氧气被证明在硝酸银存在时可以溢出，说明光照过程中溶解氧浓度达到过饱和，由于氧气的电负性大于银，而且氧气形成超氧自由基的电势比银离子形成银的电势更正，所以氧气和中间态氧化基团可能将银纳米晶氧化成氧化银。另外，如果光照前首先形成银与氨水的络合物，可以保护银在光沉积过程中不被氧化。
　　(3)可见光光催化降解MB，MO，RhB和水杨酸的结果表明:Ag2O/PbTiO3具有较高的光催化性能和稳定性。可能的光催化机理是，钛酸铅和氧化银的导带位置差异较大，结合钛酸铅的铁电极化作用，光生电子聚集在复合材料界面附近，有效的分离了氧化银中的光生电子空穴对，促进了氧化银的光催化效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钙钛矿氧化物和钙钛矿相钛酸铅概述

1．2．1 钙钛矿氧化物简介

1．2．2 钙钛矿相钛酸铅晶体结构和性能

1．2．3 钙钛矿相钛酸铅纳米材料的制备

1．2．4 水热法制备纳米材料的生长机理

1．3 铁电极化应用

1．3．1 铁电极化在光催化中的应用

1．3．2 铁电极化应用于光化学反应的研究进展

1．4 单晶单畴钙钛矿型钛酸铅纳米片简介

1．4．1 畴结构简介

1．4．2 钙钛矿型钛酸铅纳米片简介

1．5 本论文研究思路及主要研究内容

第二章 实验方法与相关测试技术

2．1 实验药品与实验设备

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验设备

2．2 材料合成制备方法

2．2．1 水热法制备PbTiO3纳米颗粒

2．2．2 水热法制备八面体LiTiO2纳米颗粒

2．2．3 一步水热法制备单晶单畴的钙钛矿相PbTiO3纳米片

2．2．4 Ag2O／PbTiO3复合材料的制备

2．2．5 Ag／PbTiO3复合材料的制备

2．2．6 Pt／PbTiO3复合材料的制备

2．2．7 Au／PbTiO3复合材料的制备

2．3 可见光催化实验步骤

2．3．1 室温可见光催化实验步骤

2．3．2 低温可见光催化实验步骤

2．4 材料的结构分析和性能测试方法

2．4．1 X射线衍射(XRD)

2．4．2 显微共焦激光拉曼光谱仪(Raman Microscope)

2．4．3 场发射扫描电子显徼镜(FESEM)

2．4．4 透射电子显微镜(TEM)

2．4．5 热重和差热分析(Tg-DSC)

2．4．6 红外光谱测试(IR)

2．4．7 球差校正电镜(Cs-corrected STEM)

2．4．8 X射线光电子能谱仪(XPS)

2．4．9 紫外-可见分光光度计(UV-Vis)

2．4．10 比表面积分析(BET)

2．4．11 Zeta电位分析

第三章 PbTiO3单晶纳米粒子不同形貌的水热合成及其生长机理

3．1 引言

3．2 PbTiO3纳米粒子的水热制备和结构表征

3．2．1 水热法制备钛酸铅纳米粒子

3．2．2 钛前驱体表征

3．2．3 添加不同量矿化剂NaOH所得产物的表征

3．2．4 NaOH浓度一定不同水热时间所得产物的表征

3．2．5 水热法制备不同形貌PbTiO3纳米颗粒的生长机理探究

3．2．6 不同生长过程所得PbTiO3纳米结构的物理性能表征

3．2．7 矿化剂种类对产物的影响

3．3 本章小结

第四章 铁电PbTiO3纳米片调控Ag2O和贵金属纳米粒子选择性生长及其可见光催化性能探究

4．1 引言

4．2 Ag2O／PbTiO3复合材料制备及其可见光催化性能研究

4．2．1 Ag2O／PbTiO3复合材料的制备

4．2．2 不同硝酸银浓度下制备的Ag2O／PbTiO3复合材料的表征

4．2．3 不同硝酸银浓度下制备的Ag2O／PbTiO3复合材料的光催化性能研究

4．2．4 复合材料光沉积机理和催化机理的研究

4．3 Ag／PbTiO3复合材料制备及其可见光催化性能研究

4．3．1 Ag／PbTiO3复合材料的制备

4．3．2 Ag／PbTiO3复合材料制备中不同实验参数的探究

4．3．3 Ag／PbTiO3复合材料可见光催化性能探究

4．4 光还原法制备贵金属(Au，Pt)与PbTiO3的复合材料及表征

4．4．1 光还原法制备Au／PbTiO3复合材料及其表征

4．4．2 光还原法制备Pt／PbTiO3复合材料及其表征

4．5 超声还原法制备贵金属与PbTiO3的纳米复合材料及表征

4．6 本章小结

第五章 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间取得的研究成果