TiO2基复合纳米材料的制备、表征及光催化性能研究

摘要

TiO2具有化学稳定性高、环境兼容性强以及功能多元化等优点，这使其在能源和环境问题日益紧张的当下成为一种理想的功能性材料。TiO2作催化剂应用于光催化领域，可以有效地实现有机污染物的光降解、光催化裂解水制氢以及光还原CO2等一系列反应。然而，单一的TiO2半导体纳米材料带隙较宽(3.0-3.4eV)，吸收光范围主要集中在紫外光区，对太阳光的利用率很低(～4％)。因此，怎样对TiO2进行改性，提高其可见光利用率是近些年来科研领域的热点问题之一。本论文主要围绕TiO2基复合材料的化学合成，结构表征和光催化性能进行了系统地研究与讨论。论文的主要研究结果如下:
　　1.将贵金属修饰及三价钛离子(Ti3+)自掺杂相结合改善TiO2的光催化性能。通过三氯化钛的水解反应在金纳米棒/球表面生长均匀的TiO2壳层，然后在还原气氛(Ar/H2)中经过高温煅烧成功合成了不同形貌的Au@H-TiO2核壳结构。X-射线光电子能谱证实了产物壳层中Ti3+离子以及Ti-OH的存在。对产物进行光催化性能评估，实验结果表明相较于Au@TiO2(未经热处理)、Au@A-TiO2(空气气氛中进行热处理），Au@H-TiO2在光催化制氢以及降解甲基橙的应用中有着更好的催化活性以及优异的稳定性。催化性能的提升主要是因为氢化还原作用以及贵金属Au的存在，这提高了电子-空穴的分离效率以及催化体系中电荷的转移速率。
　　2.以MoSe2纳米片作助催化剂，提高TiO2的可见光催化产氢性能。通过简单的溶剂热法合成得到了MoSe2/TiO2复合纳米材料。以可见光下的光催化制氢为反应模型对复合材料的催化性能进行评估。实验结果发现复合材料的光催化性能明显优于单一的TiO2，MoSe2以及物理混合法所得产物MoSe2+TiO2。根据漫反射吸收光谱、瞬态光电流测试以及交流阻抗结果推测复合材料催化性能的提升可以归因于光吸收能力的增强以及光生载流子分离效率的提高。在控制钛基原料得到具有不同MoSe2∶TiO2比例的产物中，MoSe2/TiO2-0.3的催化效果最好。
　　3.以氢化热还原或者与还原氧化石墨烯复合的方法，提高MoSe2/TiO2复合纳米材料的可见光催化产氢性能。实验结果表明，相较于改性前的MoSe2/TiO2，改性后产物的光催化产氢及电催化析氢效率均明显提升。通过瞬态光电流测试、交流阻抗测试以及导电性测试，证实氢化热还原的产物(MoSe2/H-TiO2)以及引入还原氧化石墨烯后的产物(MoSe2/rGO/TiO2)性能的提升主要是因为材料中光生载流子的分离效率的提高以及电荷转移阻抗的降低。
　　4.通过生长-掺杂方法制备了Cu掺杂的ZnSe量子棒(Cu∶ZnSe)，并对其光学性质进行了研究。借助TEM、HRTEM、XRD以及SAED表征得知Cu∶ZnSe为尺寸很小(直径约3nm)的一维结构，且呈结晶性良好的立方相。相较于ZnSe，Cu∶ZnSe的光吸收能力有所增强，发光效率也得以提高。利用UV-Vis以及PL光谱对纳米颗粒的掺杂生长过程进行跟踪，发现随着反应的进行，紫外-可见吸收光谱明显向可见光区红移。产物具有明显的量子尺寸效应，荧光峰在480-520nm之间可调。这些结果为今后研究它与TiO2的复合材料体系及其光催化性能提供了坚实基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 TiO2的晶体结构

1．2 TiO2纳米材料的合成方法

1．2．1 水热法

1．2．2 溶剂热法

1．2．4 气相沉积法

1．3 TiOz纳米材料在能源转换与存储领域中的应用

1．3．1 光催化应用

1．3．2 太阳能电池

1．3．3 锂离子电池

1．4 TiO2纳米材料常见的性能提升策略

1．4．1 带隙调节

1．4．2 抑制电子-空穴对的复合

1．5 本论文的选题背景及主要研究内容

参考文献

第二章Au@H-TiO2核壳结构的制备及光催化性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料合成

2．2．2 仪器与表征

2．2．3 光催化性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 结构与形貌分析

2．3．2 表面成分分析

2．3．3 光学和光电化学性质分析

2．3．4 光催化性能分析

2．3．5 Au在光催化中的作用分析

2．3．6 基于金纳米球所得催化剂的光催化性能分析

2．4 本章小结

参考文献

第三章 MoSe2／TiO2复合纳米材料的可控合成及光催化制氢性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料合成

3．2．2 仪器与表征

3．2．3 光催化性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构与形貌分析

3．3．2 表面成分分析

3．3．3 光学和光电化学性质分析

3．3．4 光催化产氢性能分析

3．3．5 反应机理

3．4 本章小结

参考文献

第四章 MoSe2／H-TiO2、MoSe2／rGO／TiO2复合纳米材料的制备及催化产氢性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料合成

4．2．2 仪器与表征

4．2．3 催化性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构与形貌分析

4．3．2 表面成分分析

4．3．3 光学和光电化学性质分析

4．3．4 催化性能分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 Cu掺杂的硒化锌超细纳米棒的制备及光学性质研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验装置

5．2．2 材料合成

5．2．3 仪器与表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 结构与形貌分析

5．3．2 光学性质分析

5．3．3 反应机理

5．3．4 反应影响因素

5．4 本章小结

参考文献

6．1 本文的创新点

6．2 有待研究的问题

致谢

攻读博士学位期间的学术成果