定向生长二氧化钛纳米棒阵列的低温制备及其光催化性能

摘要

纳米材料是当前材料研究的一个重要领域，对不同微观形貌的纳米材料在不同领域中的应用也是研究的热点。作为一种半导体材料，纳米TiO2由于其催化活性高、化学性质稳定、无毒等优点被广泛应用于光催化、太阳能电池、气敏元件等领域。纳米TiO2的不同微观形貌，如纳米管，纳米棒，纳米线及介孔等，具有独特的物理、化学性质，从而在不同应用领域都表现出独特的性能。 本文通过Ti片与30wt％H2O2在80℃下反应72h在钛基体上获得表面均匀的蓝黑色TiO2薄膜，在反应剩余溶液中获得白色TiO2粉末。经X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)及Raman光谱分析可知，该薄膜为由厚度约2μm的纯锐钛矿型TiO2的中间夹层及厚度约1μm锐钛矿型和金红石型混合晶型TiO2纳米棒定向阵列层组成的复合薄膜，组成薄膜顶层的纳米棒单体直径为20-30nm，长度约150nm。低温条件下晶态结构薄膜的形成机理主要为溶解-沉淀。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析结果表明，反应后溶液中剩余粉末为TiO2纳米棒，且与薄膜上TiO2纳米棒定向阵列成分一致。通过N2吸附法测定可知，TiO2纳米棒组成的粉末比表面积为300m2/g，远高于商业DegussaP-25TiO2纳米粉末。 采用不同TiO2薄膜对0.01mmol/L罗丹明B(RB)溶液的光降解能力测试薄膜的光催化活性。结果表明，所制备的表面为纳米棒定向排列的TiO2薄膜的光催化活性优于相同质量DegussaP-25TiO2纳米粉组成的薄膜，且远高于溶胶-凝胶制备的TiO2薄膜。气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析结果表明，光催化降解RB的最终产物为CO2和H2O。纳米棒定向阵列薄膜的优异光催化性能主要来源于其高的比表面积。但此TiO2薄膜的光催化使用寿命低，原因可能是对光催化活性有益的表面羟基等基团的逐渐损失。 本文还考察了不同温度下后续热处理对纳米棒定向排列TiO2薄膜光催化性能的影响。结果表明，热处理使TiO2薄膜的光催化效率下降，但其光催化寿命却显著提高。在450℃下热处理1h后TiO2薄膜光催化活性最好，且使用寿命很高。热处理导致表面羟基等基团的损失，以及比表面积的增大，导致光催化效率下降；但同时增加所得薄膜的结晶度，从而有利于光催化活性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

第一章文献综述

1.1二氧化钛光催化研究现状

1.1.1二氧化钛的结构与性能

1.1.2二氧化钛光催化简述

1.2纳米有序结构二氧化钛的研究现状

1.2.1有序排列大孔结构

1.2.2纳米介孔结构

1.2.3纳米管

1.2.4纳米线

1.2.5纳米棒

1.3选题依据及研究内容简介

参考文献

第二章定向排列二氧化钛纳米棒阵列的低温制备

2.1引言

2.2试验过程

2.2.1试样制备

2.2.2材料测试表征技术

2.3试验结果

2.4结果分析与讨论

2.5本章小结

参考文献

第三章定向排列二氧化钛纳米棒阵列的光催化性能

3.1引言

3.2实验方案

3.2.1溶胶的配置

3.2.2试样制备方法

3.2.3光催化实验

3.3实验结果

3.4结果分析与讨论

3.5本章小结

参考文献

第四章热处理对二氧化钛纳米棒阵列光催化性能的影响

4.1引言

4.2试验过程

4.3试验结果

4.4结果分析与讨论

4.5本章小结

参考文献

第五章结论

附录：图表索引

研究期间发表的学术论文

致谢