丙酮溶剂热法制备纳米TiO高可见光光催化活性起因研究

摘要

本论文采用溶剂热法,以钛酸正丁酯为前驱体,丙酮为溶剂,通过改变溶剂热温度成功地制备了一系列无定形和锐钛矿TiO<,2>;研究这类TiO<,2>高可见光光催化活性的物理和化学本质及其起因,以期对TiO<,2>光催化大规模产业化提供理论指导和技术支持. 研究了溶剂热温度对TiO<,2>制备的影响,以甲基橙为降解目标物测试了其光催化性能;分析了TiO<,2>表面态及其与可见光吸收和光催化活性的关系;建立了本研究制备的TiO<,2>可见光光催化电子转移模型;此外,还通过热处理分步脱除TiO<,2>表面有机物以调控其表面态,进一步确认表面态与光催化的关系;以苯酚类化合物为降解目标物,研究可见光下TiO<,2>对其的降解行为,建立了可见光诱导光催化降解机制模型;推断两种表面络合物协同作用促进了TiO<,2>可见光光催化降解,导致了本研究制备的TiO<,2>高可见光光催化活性. 分别对不同溶剂热合成温度制备的纳米TiO<,2>以及经不同温度热处理的纳米TiO<,2>进行了材料性能的表征研究.XRD结果表明随着溶剂热温度升高,TiO<,2>逐渐从无定形转变为锐钛矿,TEM和电子选区衍射证实了上述结果,120℃是锐钛矿TiO<,2>的起始形成温度.TG-DTA表明有2.4﹪～16.2﹪左右的有机物吸附在TiO<,2>表面,FT-IR图谱存在Ti-O-C键对应的1093cm<'-1>峰,表明溶剂热过程中原位键合了表面络合物(≡Ti<'4+>-OCR),这种络合物能改变TiO<,2>表面态,俘获电子,加速电子转移,从而提高光催化性能.热处理能分步脱除表面有机组分和调控TiO<,2>表面态,180℃热处理脱除吸附水和物理吸附的有机组分;而365℃热处理则脱除了TiO<,2>表面吸附的大量的有机物,导致可见光激发光催化性能显著下降. 对溶液条件下进行的光催化降解过程的研究表明,TiO<,2>表面≡Ti<'4+>-OH与苯酚类化合物的-OH发生缩合反应,这种缩合与苯环上取代基有关,取代基吸电子能力越强,-OH酸性越强缩合反应越易进行.对无可见光响应的苯酚类化合物,如:苯酚(phenol)、对氯苯酚(4-CP)和对羟基苯甲酸(4-HA),Cl有较强的吸电子能力,-OH酸性强,易生成表面络合物,所以TiO<,2>对对氯苯酚有较高可见光光催化效率.此类络合物吸收可见光受激处于激发态,将电子注入TiO<,2>导带,从而诱导光生电子产生;光生电子能被O<,2>俘获生成具有强氧化能力的O<'·-><,2>和HOO<'->等超氧化物,而·OH并不是主要的氧化剂. 由此,推断本研究制备TiO<,2>高可见光光光催化活性起源于上述两种表面络合物的协同作用,而光生电子深俘获导致无定形TiO<,2>低可见光光催化活性.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2 TiO2光催化剂的研究历程

1.3 TiO2的晶体结构和光谱特征

1.3.1晶体结构

1.3.2光谱特征

1.4光诱发的电子转移过程

1.4.1半导体与底物的能带关系

1.4.2 TiO2催化剂表面光诱导电子转移

1.5 TiO2光催化降解有机物机理

1.5.1紫外光激发光催化机制

1.5.2可见光诱导光催化机制

1.6提高TiO2光催化性能的方法

1.6.1贵金属沉积

1.6.2过渡金属离子掺杂

1.6.3非金属掺杂

1.6.4有机染料敏化

1.6.5半导体复合

1.7 TiO2光催化剂应用

1.7.1环境净化

1.7.2光解水制氢气

1.7.3杀菌消毒

1.8本论文研究目的和主要内容

参考文献

第2章实验方法

2.1引言

2.2实验设备

2.3主要原料

2.4样品制备

2.5表征方法

2.5.1透射电子显微镜(TEM)

2.5.2 X射线衍射(XRD)

2.5.3紫外-可见光谱(UV-Vis)

2.5.4热分析(TG-DTA)

2.5.5傅立叶变换红外光谱(FT-IR)

2.5.6漫反射谱(DRS)

2.6光催化测试

2.6.1光催化实验反应装置与灯源发光谱

2.6.2目标降解底物标准曲线

2.6.3光催化实验

参考文献

第3章不同溶剂热温度下TiO2制各及其性能研究

3.1引言

3.2 TiO2光催化剂的制备

3.2.1制备原理

3.2.2制备工艺

3.3样品物性表征

3.3.1样品X射线衍射(XRD)

3.3.2样品透射电镜(TEM)

3.3.3样品漫反射谱(DRS)

3.3.4样品热分析(TG-DTA)

3.3.5样品傅立叶红外光谱(FT-IR)

3.4样品光催化性能表征

3.5 TiO2对甲基橙高活性降解的解释

3.6小结

参考文献

第4章热处理调控纳米TiO2表面态及其可见光光催化性能研究

4.1引言

4.2实验方法

4.2.1热处理

4.2.2光催化实验

4.3不同温度热处理样品物性表征

4.3.1 X射线衍射(XRD)

4.3.2透射电子显微(TEM)

4.3.3漫反射谱(DRS)和热分析(TG-DTA)

4.3.4傅立叶红外光谱(FT-IR)

4.4热处理温度与可见光光催化活性关系

4.4.1不同辐射波长光照下光催化活性

4.4.2降解底物分子结构与光催化活性的关系

4.5可见光光催化降解机制

4.6小结

参考文献

第5章结论

硕士期间发表论文

致谢