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《北京工商大学》 2010年
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离子掺杂型和氧化物及贵金属负载型TiO_2纳米线(带)的制备与表征

刘扬  
【摘要】:TiO_2作为一种高效的环境功能材料在污染物光催化降解、光电转换新型能源开发等诸多领域具有巨大的应用潜质。但是传统的TiO_2光催化技术却存在诸多不足,影响了其实用性。本文通过创新而高效的途径制备出新型TiO_2纳米带以及对其进行了稀土金属离子、钙钛矿型钛酸盐-钛酸锶(钡)包裹、非金属氮掺杂、贵金属银负载等方式的性能改性,以期从根本上提高其光电转换效率和光催化性能并增强其实用性能。系统而深入的研究了各种改性的TiO_2纳米带及其复合体系的最优化合成方法、产品性能与表征、光催化活性评价。 1.在不同浓度的NaOH溶液中,不同反应时间和温度的水热条件下与TiO_2纳米带发生反应,研究了生成产物的结构和形貌。多种测试结果表明,在强碱条件下水热处理TiO_2纳米带很容易生成具有层状结构的钛酸盐纳米带,并对NaOH溶液的浓度、水热反应时间和温度对产物的形貌的影响和机理进行了研究。 2.采用各种测试手段研究了水热处理具有层状结构的两种钛酸盐转化为锐钛矿型TiO_2纳米带的制备过程、难易程度和相转化机理。在特定的条件内,钛酸钠纳米带很难完全转化为锐钛矿型TiO_2,若升高反应温度并延长反应时间,则可以制得纯的锐钛矿型TiO_2,但纳米带形貌被严重破坏,并确定了最优转化条件和方法。还讨论了钛酸钠纳米带或钛酸纳米带转化为锐钛矿型TiO_2纳米带的相转化机理。 3.用具有层状结构的钛酸纳米带和稀土Er~(3+),Yb~(3+)的溶液通过离子交换水热法制备出了Er~(3+)和/或Yb~(3+)掺杂的TiO_2纳米带。各种详细的表征手段证明了稀土离子进入了TiO_2晶格,并表现出强烈上转换发光特性,通过对比未掺杂的样品与商品P-25光催化剂评价了其可见光催化降解罗丹明B的活性,并对可见光催化活性增强影响因素和机理进行了深入分析。 4.以Sr(OH)_2或Ba(OH)_2和TiO_2纳米带为前驱物,通过水热反应直接制得了立方相MTiO_3 (M=Ba或Sr)纳米粒子负载的TiO_2纳米复合材料。多种测试手段对产物的组成、物相、形貌、结构和光学性质进行了详细表征。对罗丹明B可见光催化降解结果证实,这些纳米复合材料皆有较高的光催化活性,远高于P-25纳米粒子的光降解活性。 5.发明了一种简便的制备过程合成出具有高可见光催化活性降解罗丹明B的N掺杂的亚稳态β型TiO_2纳米带。制备过程包括室温条件下的NH4+离子交换过程和空气中煅烧。多种表征手段表明,N原子进入TiO_2(B)的晶格中引起了较大的可见光吸收,表现出比未掺杂纯锐钛矿相TiO_2纳米带和商品P-25纳米粒子光催化剂更高的光催化活性。 6.通过室温条件下的化学络和还原法制备出了Ag纳米粒子负载的锐钛矿相TiO_2纳米带,并采用多种分析手段对体系的结构形貌光学性质做了详细的测试,证实了10-20nm Ag纳米粒子的负载,并发现负载Ag以后可见光响应能力以及范围大幅拓宽,并利用复合体系优势大幅提高了载流子分离效率,使氧化还原反应效率更高,还对其可见光催化活性经行了深入的评价和机理分析。
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