静电纺丝制备钛基异质结复合纳米纤维及其光催化性能研究

摘要

近年来，水体污染已经成为各国政府和人民普遍关注的社会问题之一。尤其随着纺织印染工业的迅速发展，印染废水因其水量大，染料有机物浓度高、净化处理困难等特点成为水污染的主要来源之一。印染废水的处理方法主要包括物理吸附法、电解法、氧化法、凝聚法以及生物法等。其中光催化氧化方法因其具有成本低、快速且高效等优点逐渐受到了研究者们的广泛关注。光催化氧化方法的核心是光催化剂，如何通过设计制备出低成本、高活性且高太阳光利用率的光催化剂就成为了很多研究光催化领域的科研工作者们一直努力的方向。钛基半导体材料如金红石型二氧化钛(TiO2)、钛酸锶(SrTiO3)和钛酸钙(CaTiO3)等由于具有环境友好、物理化学性质稳定、价格低廉等优点成为光催化剂家族中重要成员之一。但钛基纳米半导体材料(金红石型TiO2、SrTiO3和CaTiO3)作为宽带隙半导体，只对紫外光有很好的响应，这极大限制了其对太阳光的利用率。此外，在拓展钛基光催化剂光吸收范围的同时，如何进一步提高其光催化活性及光稳定性也成为研发新型高效、光稳定性良好的可见光响应型钛基光催化剂亟需解决的难题之一。 为了进一步拓展钛基光催化剂的光吸收范围和提高光催化剂的催化活性，本文首先通过系统的工艺研究，确定了静电纺丝制备钛基纳米纤维的最佳工艺条件，进而通过一步静电纺丝法制备了具有异质结的SrTiO3修饰金红石型TiO2复合纳米光催化剂，并进一步探讨了复合光催化剂中异质结的存在对催化活性影响;然后再通过设计将窄带隙的Ag3PO4半导体与宽带隙的SrTiO3半导体进行匹配并形成具有异质结的复合光催化剂，并进一步探讨了Ag3PO4敏化SrTiO3后对其光吸收范围及光催化活性的影响;此外，还通过设计在CaTiO3纳米纤维上生长MoS2纳米片复合光催化剂，并探讨MoS2纳米片作为助催化剂的引入对其光催化活性的影响。主要研究的内容和成果如下: 1.通过对施加电压、接收距离、热处理温度以及热处理过程的升温速率等静电纺丝制备方法的工艺条件进行优化来进一步探讨其对制备的钛基纳米光催化剂的晶体结构和纤维形貌的影响。研究结果表明，热处理温度为700℃时可以成功制备一维金红石型TiO2纳米纤维、SrTiO3纳米纤维和CaTiO3纳米纤维。 2.通过设计一步静电纺丝法，成功制备了具有异质结的一维SrTiO3修饰金红石型TiO2的复合纳米纤维光催化剂，并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明，与单相TiO2纳米纤维相比，在紫外光辐照下，一维SrTiO3/TiO2(金红石型)(ST-3)异质结复合纳米纤维样品对甲基橙具有最大的降解率，其降解率约是单相金红石型TiO2的2倍。 3.通过设计将静电纺丝技术和原位沉积技术相结合，成功制备了具有异质结的一维Ag3PO4敏化的SrTiO3复合纳米纤维光催化剂，并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明，Ag3PO4的引入既可以进一步拓展SrTiO3的光吸收范围至可见光区，同时又可以和SrTiO3进行很好的匹配形成异质结，而异质结可以通过有效的抑制光生电子-空穴的复合进而提高其对可见光的响应活性。在可见光照射下，与SrTiO3纳米纤维相比，Ag3PO4/SrTiO3(3AS)复合纳米纤维光催化剂对亚甲基蓝(MB)有更加优异的光催化降解活性，降解活性约是单相SrTiO3纳米纤维的10倍。 4.通过设计将静电纺丝技术和水热技术相结合，成功在CaTiO3纳米纤维上生长MoS2纳米片复合光催化剂，并对其光催化性能进行了研究。研究结果表明，和单相CaTiO3光催化剂相比，在氙灯的辐照下，MoS2/CaTiO3(MC-3)异质结复合纳米纤维光催化剂具有更高的催化降解罗丹明B的活性。这主要归因于MoS2作为助催化剂可以通过MoS2与CaTiO3之间形成的异质结快速将光生电子传递出去，阻碍光生空穴与之复合，进而提高光催化活性;此外，由于MoS2纳米片表面积较大使其参与反应的面积也会随之增大，而增大反应面积对提高光催化活性也有较为重要的影响。 5.通过对设计制备的钛基异质结复合纳米纤维进行多次光催化循环实验来评估其光稳定。研究结果表明，经过多次循环光催化实验其催化活性降低只有不到10％，这对于未来应用于处理实际染料废水很有应用前景。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2一维纳米材料

1．2．1一维纳米材料概述

1．2．2一维纳米材料制备方法

1．3静电纺丝技术制备一维纳米纤维的简介

1．3．1静电纺丝技术制备纳米纤维的发展历程

1．3．2静电纺丝技术制备纳米纤维的过程与工作原理

1．3．3静电纺丝技术的装置

1．3．4静电纺丝技术中影响纤维形貌的过程参数

1．3．5静电纺丝技术制备一维纳米纤维材料

1．4钛基纳米材料结构及其一维纳米纤维在光催化领域的应用

1．4．1 TiO2纳米材料结构及其一维纳米纤维在光催化领域的应用

1．4．2 SrTiO3和CaTiO3纳米材料结构及其一维纳米纤维在光催化领域的应用

1．5钛基纳米材料提高光催化性能的方法—以TiO2为例

1．5．1采用光敏化的方式改性

1．5．2采用贵金属沉积的方式改性

1．5．3采用离子掺杂的方式改性

1．5．4采用异质结方式改性

1．6文研究目的和内容

1．7论文创新点

参考文献

2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2 X-射线光电子能谱(XPS)

2．3能谱仪(EDS)

2．4扫描电镜(SEM)

2．5透射电子显微镜(TEM)

2．6紫外-可见漫反射分析(UV-Vis DRS)

2．7荧光光谱(PL)

参考文献

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验仪器与设备

3．2．2实验试剂

3．2．3实验方法

3．3结果与讨论

3．3．1一维TiO2(金红石型)纳米纤维结构研究

3．3．2一维SrTiOs纳米纤维晶体结构和形貌研究

3．3．3一维CaTiO3纳米纤维结构和形貌研究

3．4本章小结

参考文献

第四章一维SrTiO3/TiO2(金红石型)异质结复合纳米纤维的制备及其光催化性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验设备

4．2．2实验试剂

4．2．3实验方法

4．3结果与讨论

4．3．3一维SrTiO3/TiO2(金红石型)异质结复合纳米纤维的TEM和EDS表征

4．3．4一维SrTiO3/TiO2(金红石型)复合纳米纤维的光催化性能探究

4．3．5一维SrTiO3/TiO2(金红石型)复合纳米纤维的UV-Vis(DRS)分析

4．3．6一维SrTiO3/TiO2(金红石型)异质结复合纳米纤维的光催化机理

4．4本章小结

参考文献

第五章一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂的制备及其光催化性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1实验设备

5．2．2实验试剂

5．2．3实验方法

5．3结果与讨论

5．3．2一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维材料SEM和EDS表征

5．3．3一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂的TEM分析

5．3．4一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维材料XPS分析

5．3．5一维Ag3PO4/SrTiOa异质结复合纳米纤维光催化剂UV-Vis DRS分析

5．3．6一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂PL分析

5．3．7一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂的催化性能分析

5．3．8一维Ag3PO4/SrTiO3异质结复合纳米纤维光催化机理分析

5．4本章小结

参考文献

第六章MoS2/CaTiO3异质结复合纳米纤维的制备及其光催化性能的研究

6．1引言

6．2实验部分

6．2．1实验设备

6．2．2实验试剂

6．2．3实验方法

6．3结果与讨论

6．3．2 MoS2/CaTiO3异质结纳米纤维光催化剂TEM和EDS分析

6．3．3 MoS2/CaTiO3异质结复合纳米光催化剂的UV-DRS分析

6．3．4 MoS2/CaTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂XPS分析

6．3．5 MoS2/CaTiO3异质结复合纳米光催化剂PL分析

6．3．6 MoS2/CaTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂光催化性能研究

6．3．7 MoS2/CaTiO3异质结复合纳米纤维光催化剂的光催化机理

6．4本章小结

参考文献

7．1主要结论

7．2存在问题及展望

博士期间的研究成果

致谢