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《武汉理工大学》 2012年
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二氧化钛基光催化材料的微结构调控与性能增强

向全军  
【摘要】:21世纪,环境和能源问题是人类面临的最大挑战。半导体光催化技术,为我们提供了一种有效治理环境污染和高效利用太阳能的有效途径。纳米二氧化钛是最常用的半导体光催化材料,广泛应用于污水处理、空气净化、抗菌杀毒、光分解水制氢等领域。但是,二氧化钛光响应范围较窄,只能吸收太阳光中的紫外光,同时其量子效率偏低,阻碍了其实际应用和商业化发展。本博士论文围绕二氧化钛基光催化材料的组成、组织、结构与性能的关系,开展了系统深入的研究工作,在高活性二氧化钛的微结构调控、掺杂、复合、性能增强和新型光催化材料的制备等方面的研究中取得了创新性研究成果,其主要研究内容如下: 第一,不同形貌二氧化钛的制备和光催化活性比较。首先,我们选用硫酸钛为前驱体,以氟化氢铵为形貌控制剂,通过一步水热法合成了几种不同形貌锐钛矿二氧化钛微结构,包括实心微球、空心球和暴露{001}晶面块状锐钛矿微晶。研究发现,表面氟化二氧化钛空心微球具有最好的光催化活性,而暴露{001}晶面块状锐钛矿微晶具有最好的比光催化活性。这主要是由于一方面空心微球有利于增强对光的吸收和利用效率;另一方面,二氧化钛空心球具有大的比表面积和分级多孔结构,有利于增强对污染物的富集和反应物与产物在催化材料中的扩散,从而增强光催化活性。随后,以钛酸盐纳米管为前躯体,在HF-H2O-C2H5OH的混合溶液中,采用一种无模板和表面活性剂的醇热法合成了暴露{001}面二氧化钛纳米片自组装形成的分等级花状超结构。该花状二氧化钛超结构在气相光催化降解丙酮和液相光催化降解甲基橙中表现出非常高的光催化活性,其活性明显高于国际标准光催化材料Degussa P-25。这主要是由该材料具有分等级多孔结构,暴露高活性{001}晶面和增强的光吸收能力引起的。 第二,暴露高活性{001}面二氧化钛纳米片的制备及其光催化活性的研究。首先,以钛酸四丁酯为前驱体,在氢氟酸和水的混合溶液中通过一步水热法制备了表面氟化暴露不同比例{001}晶面的锐钛矿二氧化钛纳米片粉末材料。该材料在光催化分解空气中丙酮的实验中表现出增强的光催化活性,特别是表面氟化和暴露适当比例(~70%){001}晶面的二氧化钛纳米片显示出最高的光催化活性,其表观速率常数是P25样品的9倍多。这主要是由于表面氟化和暴露最佳比例的{001}晶面具有协同增强二氧化钛光催化活性的作用。随后,基于暴露{001}晶面表现出较高光催化活性,我们以钛片为基底,通过一步水热法合成了暴露{001}面花状二氧化钛微球薄膜。该花状二氧化钛微球薄膜在光催化降解偶氮染料溶液时,表现出光催化选择性,并且通过改变二氧化钛微球表面性质和{001}晶面的腐蚀程度能够进一步调控二氧化钛微球薄膜的光催化选择性。这主要是由于通过改变二氧化钛表面电荷性质,使二氧化钛优先吸附带相反电荷的污染物分子,从而选择性降解被吸附的污染物分子。 第三,等离子光催化剂Ag-TiO2复合空心球的微波水热制备及其可见光催化活性。通过微波水热、化学诱导自转变和光还原的方法,制备了可见光响应的等离子体光催化剂Ag-TiO2复合空心球。这种金属-半导体纳米复合等离子体光催化剂在降解水中的罗丹明时显示出较高的可见光光催化活性和稳定性。这主要是由于吸附在二氧化钛空心球上的银纳米粒子具有表面等离子体效应,它能够吸收可见光,使复合催化剂具有可见光响应。在可见光照射下,银纳米颗粒的表面等离子体响应诱导产生光生电子-空穴对,银纳米粒子上的电子受到激发并转移到Ti02导带上,接着与溶液中的分子氧反应形成超氧自由基O2,然后质子化生成HOO·自由基,HOO·自由基与被捕获的电子结合生成H2O2,最后生成·OH自由基,这些活性基团都能降解和矿化罗丹明。 第四,石墨烯修饰二氧化钛的制备及其增强光分解水产氢活性。首先,在H2O-C2H5OH混合溶液中,采用微波水热法合成了石墨烯修饰暴露{001}面锐钛矿二氧化钛纳米片复合光催化材料。该复合材料表现出较好的光催化活性,在以甲醇为牺牲剂和无Pt为助催化剂条件下光分解水产氢实验中,其产氢速率是纯二氧化钛纳米片的41倍多。这主要是由于石墨烯是较好的电子接受体,并且石墨烯的氧化还原电势位于二氧化钛导带底端和氢电极电势之间,因此能够促进二氧化钛导带上光生电子转移到石墨烯上,从而还原氢离子产氢,增强光催化分解水产氢活性。随后,采用两步水热反应策略,合成了层状MoS2/graphene复合二氧化钛光催化材料,该复合材料表现出极好的光催化分解水产氢活性,远远超过纯二氧化钛,MoS2与石墨烯单独复合Ti02的光分解水产氢活性。这主要是由于MoS2和石墨烯作为共催化剂的协同作用,包括减少载流子复合、增强界面载流子转移速率、增加反应活性位和光催化反应中心,从而极大地增强了二氧化钛的光催化分解水产氢活性。最后,对暴露{001}面二氧化钛纳米片进行氮元素掺杂,使其具有可见光分解水产氢活性。以TiN为原料,采用溶剂热法一步制备了氮自掺杂暴露65%{001)晶面锐钛矿二氧化钛纳米片光催化材料。该材料表现出非常高的可见光光催化分解水产氢活性和光催化氧化性。这主要是由于氮掺杂二氧化钛,降低了二氧化钛的禁带宽带,使其具有可见光响应;同时该材料暴露了高活性{001}晶面并具有较大的比表面积,从而增加反应物在催化材料中的吸附和提供更多活性中心位,因而增强了可见光光催化活性。 第五,基于石墨烯半导体光催化材料的制备与性能研究。石墨烯具有均一的二维机构,优良的导电性,高的载流子迁移率和极高的比表面积,并且能够大规模廉价生产。因此,石墨烯已经作为各种功能化复合材料的重要组成部分。特别是石墨烯基半导体光催化材料在环境和能源方面的快速发展和广泛应用,引起了人们越来越多的关注。在本章中,以三聚氰胺聚合物和氧化石墨烯为前驱体,水合肼为还原剂,通过浸渍和化学还原相结合的方法,随后在550℃氮气氛围中热处理制备了graphene/C3N4复合光催化材料。该复合材料表现出非常高的光催化分解水产氢活性,其活性是纯g-C3N4光催化剂的3倍多。这主要是由于石墨烯作为电子传输通道,能够有效分离光生电子和空穴,降低它们的复合速率,增强其寿命,从而增强g-C3N4的可见光催化分解水产氢活性。随后,在此基础上进一步总结了石墨烯基半导体光催化剂的各种设计策略与制备方法,包括原位生长、溶液混合、水热和溶剂热等方法。进一步讨论了制备石墨烯基复合系统的光催化性能,主要涉及到环境和能源方面的应用,包括光催化降解污染物、光催化产氢、光催化杀菌;并且对石墨烯基半导体光催化剂今后的研究方向和挑战进行总结和展望。 第六,各种半导体光催化材料羟基自由基产生速率的定量表征。以香豆素为探针分子,通过荧光(PL)光谱技术检测了氙灯照射下各种半导体光催化材料羟基自由基的产生速率,通过定量比较各种半导体材料在同样条件下羟基自由基的形成速率,可以间接确定光催化材料的光催化活性高低。结果显示P25和锐钛矿二氧化钛产生羟基自由基的速率远高于金红石二氧化钛、氧化锌、三氧化钨、硫化镉、钨酸铋和铋氧氯等其它半导体,我们进一步提出了“羟基自由基指数”的新概念,用于表征各种半导体光催化材料羟基自由基的形成速率和国际标准光催化材料Degussa P-25羟基自由基的形成速率的相对比值,为以后比较不同光催化剂的催化活性和设计与制备新型光催化剂提供了一条新的思路。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O643.36

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【引证文献】
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5 陈铭夏;沙燕明;上官文峰;;TiO_2/Ag~+复合光催化材料及其抗菌性能研究[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(下卷)[C];2003年
6 张春勇;郑纯智;周洪玲;;微波辐射法研制复合半导体光催化材料TiO_2/ZnO[A];第三届全国工业催化技术及应用年会论文集[C];2006年
7 陶红;蔡孝辉;郝思秋;曾佳思丹;王璐;;Ti/13X/MCM-41微/介孔光催化材料去除水中双酚A的机理[A];2010中国环境科学学会学术年会论文集(第三卷)[C];2010年
8 包秘;刘声燕;匡莉莉;王丹;王凡;;Cu_2O微晶水热合成及形貌演变研究[A];中国化学会第28届学术年会第8分会场摘要集[C];2012年
9 徐守斌;江龙;朱云峰;淡宜;;染料废水的光催化处理[A];中国化工学会2009年年会暨第三届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛会议论文集(下)[C];2009年
10 张文丽;赵英娜;张晓丽;;熔融分相法制备TiO_2光催化材料[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 李晓岩;光催化材料及应用分会成立[N];中国化工报;2008年
2 记者 李志清;“和谐科技”研发光催化材料 找到大市场[N];绍兴日报;2011年
3 记者  严家民;《纳米光催化材料在功能性空气过滤材料改性整理中的应用》项目通过鉴定[N];中国纺织报;2006年
4 ;光解水用光催化材料研究进展[N];科技日报;2004年
5 董宁波;别让“抗菌产品”蒙住眼睛[N];中华合作时报;2003年
6 顾定槐;光催化纳米地方标准颁布实施[N];中国化工报;2008年
7 张璐;数百项新科技“走出深闺”[N];江苏科技报;2011年
8 ;借纳米科技实现产业多元化[N];中国化工报;2006年
9 本报记者 董怀午;室内杀菌 紫外风行[N];中国房地产报;2003年
10 李宏乾;抗菌、净化空气功能材料[N];中国化工报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 尹盛;卤化氧铋基复合光催化材料的制备及其降解环境污染物研究[D];江苏大学;2012年
2 张胜渠;新型复合光催化材料的设计及其在光纤反应器中的催化性能研究[D];东北师范大学;2013年
3 曹广秀;共掺杂二氧化钛基可见光光催化材料的制备及性能研究[D];东华大学;2010年
4 储升;共轭聚合物半导体光催化材料的研制及构效关系研究[D];南京大学;2013年
5 孙净雪;钽酸盐与钒酸盐光催化材料的设计合成及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
6 于鹤;SrTiO_3光催化材料光吸收边调控及其光催化产氢性能研究[D];南京大学;2013年
7 徐远国;等离子体型光催化材料的制备及其降解环境污染物研究[D];江苏大学;2013年
8 王韶颖;Ti基光催化材料的微结构调控及性质研究[D];山东大学;2013年
9 向全军;二氧化钛基光催化材料的微结构调控与性能增强[D];武汉理工大学;2012年
10 王朋;表面等离子体增强AgX(X=Cl,Br,I)及其复合材料的制备、表征和光催化性能研究[D];山东大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周菊霞;TiO_2纳米管和载铂TiO_2纳米管的制备及其光催化性能研究[D];南京理工大学;2009年
2 姜淑娟;孔道结构TiO_2或Ta_2O_5负载型多酸的制备及其光催化性能研究[D];东北师范大学;2006年
3 胡素娟;二氧化钛/氧化铁光催化材料的制备及其性能研究[D];浙江工业大学;2012年
4 蒋玉龙;Pb~(2+)(La~(3+),Ag)-TiO_2光催化材料的湿化学法制备及性能研究[D];浙江大学;2004年
5 吕博;磁性复合光催化材料的制备及其光催化性能研究[D];长安大学;2007年
6 孔飞;可见光响应环境净化光催化材料的研究[D];南京大学;2012年
7 白春华;高岭石基金属掺杂纳米TiO_2光催化材料的制备及应用研究[D];武汉理工大学;2005年
8 刘舒扬;聚合物/TiO_2光催化功能性复合粒子的制备、结构及降解有机污染物性能的研究[D];四川大学;2006年
9 耿家青;非金属掺杂TiO_2纳米管的合成、表征和光催化性能研究[D];天津大学;2007年
10 刘森森;新型半导体光催化材料的可控制备及光催化性质研究[D];温州大学;2012年
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