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《华中科技大学》 2011年
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TiO_2及TiO_2-碳质材料复合物的制备及其催化性能的研究

江国栋  
【摘要】:由于高比表面积、优良的光致催化活性以及良好的生物兼容性,TiO2纳米材料在酶固载、光催化和光伏领域中受到极大的关注。然而,目前对于具有高电化学活性的特殊纳米结构TiO2薄膜及其酶固载几乎没有报道。另外,当TiO2纳米材料作为光催化剂使用时,其光催化效率较低,并且纳米TiO2粉体也难以回收。针对这些问题,我们采用液相沉积法分别制备了SDS掺杂的TiO2薄膜、CNTs-TiO2复合薄膜及氧化石墨烯-TiO2复合物,并研究其电催化和光催化性能。 以表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)同时作为掺杂剂和结构诱导剂,以(NH4)2TiF6为TiO2前躯体,采用液相沉积方法,在室温下制备SDS掺杂的TiO2薄膜。SEM分析表明:该薄膜由底层的TiO2纳米颗粒层和上层的TiO2纳米片层组成,上层的TiO2纳米片垂直于基底表面,且自组装成花状结构。SDS的浓度对TiO2形状的转换起到了关键作用。低浓度SDS时,基底表面只有TiO2颗粒产生;高浓度的SDS有利于TiO2纳米片的形成。制备TiO2纳米片的最佳温度为308℃。SDS掺杂后,TiO2的循环伏安图中羟基化的Ti(Ⅳ)的还原峰明显增强。此外,SDS-TiO2薄膜可以作为良好的载体用于固定血红蛋白(Hb),并且该电极对H2O2有良好的电催化还原活性。作为分析H2O2的电化学传感器,固定Hb的薄膜电极对0.003至1.5 mM范围内的H2O2具有良好的线性关系,检出限为1.0μM。 采用浸渍-提拉和液相沉积两步法制备了碳纳米管(CNTs)和TiO2的复合物薄膜,并通过甲基橙的降解研究了复合薄膜的光电催化性质。结果表明,CNTs能够显著减小TiO2薄膜的电荷转移电阻,提高薄膜在紫外光照时的光电流响应。CNTs-TiO2复合薄膜的光电催化性能可以通控制制备时的沉积时间、煅烧温度等参数调节。沉积时间和煅烧温度分别为1 h和450℃,复合薄膜的光电催化活性最高。此时,复合薄膜在90 min内可将10 mg/L甲基橙降解95%,远高于单纯TiO2薄膜60%的降解率。 基于液相沉积法提出了一种在氧化石墨烯表面原位沉积TiO2纳米粒子制备高效光催化剂的简单方法。本方法的最主要的优点在于:纳米TiO2颗粒在氧化石墨烯片表面组装得到微米尺寸的光催化剂,该催化剂可以通过简单过滤而分离。SEM和BET等表征表明:二维多孔结构的氧化石墨烯-Ti02复合物比表面积为80 m2/g,明显高于P25和相同方法制备的Ti02。氧化石墨烯-Ti02极高的光催化受煅烧温度、氧化石墨烯含量以及溶液pH的影响。在最优条件下(氧化石墨加入浓度为75 mg/L,200℃煅烧),复合物光催化氧化甲基橙和光催化还原的Cr(Ⅵ)的速率分别是P25的7.4倍和5.4倍。氧化石墨烯能显著增强Ti02光催化活性是因为复合物中热处理后的氧化石墨烯独特的二维片状结构、大的比表面积和增强的吸附能力、以及强的电荷转移能力。
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