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基于板钛矿型TiO_2的纳米光催化剂的制备及其光催化性能研究

邹云玲  
【摘要】:纳米TiO_2因其具有特殊的光、电等方面的性质,而成为材料科学领域研究热点,已被广泛用于光伏材料、光催化材料和气敏材料等。TiO_2在自然界中主要以三种晶型存在:锐钛矿(四方结构)、金红石(四方结构)和板钛矿(斜方结构)。锐钛矿和金红石的制备及应用已得到广泛研究,相比之下,板钛矿则因其制备困难而研究相对较少。理论研究表明,板钛矿因其独特的斜方八面体结构而具有比锐钛矿和金红石更优异的光催化性能。近几年来,板钛矿TiO_2作为一种性能优异的备用光催化材料而吸引了越来越多的关注。本文以板钛矿TiO_2光催化剂为研究对象,设计从晶面裸露、形貌控制和禁带宽度调控等角度来提高其光催化活性和可见光响应能力,为高效TiO_2光催化材料的开发提供新的途径。主要内容如下:采用水热法,以TiCl_4和尿素为反应源,在温和条件下制备了板钛矿TiO_2纳米片。研究结果表明,弱碱性环境是获得单一相板钛矿TiO_2的前提,增加尿素用量有利于晶体沿(121)晶面取向生长。所得单一相板钛矿TiO_2显示出较高的光催化活性,经过紫外光照射40 min后,对亚甲基蓝的脱色率可高达94.5%,高于商业级P25(86.7%)。采用水热法,以TiCl_4为钛源,添加表面活性剂(CTAB)作结构导向剂,通过控制溶液pH值制备了花形结构板钛矿TiO_2。改变CTAB用量可以实现产物从纺锤形结构向花形结构的转变。采用溶剂热法,以钛酸四丁酯和草酸为反应源,制备了准球形多孔结构板钛矿TiO_2。研究结果表明,多孔结构板钛矿TiO_2的形成是草酸络合和pH值调控共同作用的结果。合成条件为180℃、8h、灼烧500℃时所得产物的光催化活性最好,经紫外光辐照90 min后,对亚甲基蓝溶液的脱色率可达96.7%。以硝酸铜为过渡金属源,采用溶剂热法对多孔结构板钛矿TiO_2进行了原位掺杂改性。研究结果表明,Cu掺杂量为7%时所得样品可见光响应能力最好,在模拟可见光照射90 min后,对亚甲基蓝溶液的脱色率为87.0%,超过同一条件下所得板钛矿TiO_2(78.0%)将近10%。


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