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《重庆大学》 2010年
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镧掺杂二氧化钛纳米管微波法制备及光催化性能研究

贾志伟  
【摘要】: 纳米材料的概念是在20世纪中叶被科学界提出的,是当今新型材料,并日益得到广泛重视和深入研究,是新材料研究中最富有活力,对社会、经济发展有着重要影响的研究对象。目前,纳米材料已经在化工、国防、电子、医学等领域展示出良好、实质的应用前景。纳米TiO_2是一种氧化能力强、无毒无害、反应速度快、降解效率较高、无二次污染的新型光催化剂,因其优异的光学性能、催化性能和光电转换性能,引起人们极大关注。其中,TiO_2纳米管具有更大的比表面积,在光催化降解大气和水中的污染物、清洁能源等方面有广阔的应用前景。 本文研究的微波合成法是利用微波对水的介电作用进行合成,是一种新型合成纳米管的方法,其合成机理尚不明确,且存在很多争议。与传统方法相比,微波法具有反应灵敏、加热速度快、受热体系均匀等优点。但现阶段而言,国内外对其报道极少,对掺杂TiO_2纳米管的微波法制备及光催化性能研究更是少有提及。 本文利用溶胶-凝胶法制备了镧掺杂纳米粉,并且以纳米粉为前驱物,利用微波制备了稀土镧掺杂的TiO_2纳米管,同时对它们进行光催化性能对比。利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面仪、荧光光谱仪和X射线衍射仪等对试样形貌、结构和组成进行表征,并对其形成机理进行分析。 结果表明:利用溶胶-凝胶法制备的作为前驱物的TiO_2纳米粉体粒径在40~60nm之间,掺杂使纳米粉体的颗粒形状更不规则,其颗粒表面更加粗糙,导致比表面积增加。利用微波法以TiO_2纳米粉为前驱物,可以制得形貌比较完整的TiO_2纳米管,掺杂镧的TiO_2纳米管外径约为8~20nm,内径约为6~18nm,长约50~100nm;未经HCl酸洗的TiO_2纳米管在电镜下非常完整,而经过HCl酸洗的TiO_2纳米管在电镜下观察则发现其局部遭到破坏。TiO_2纳米管的形成可用纳米粉体在微波和NaOH的共同作用下首先解离为TiO_2纳米薄片,TiO_2纳米薄片经卷曲形成纳米管进行解释。 以甲基橙为目标降解物,研究了锐钛矿型纳米TiO_2的光催化性能。纳米TiO_2试样在15W紫外光源照射下,经150min光催化降解试验,结果表明:TiO_2纳米管比纳米粉具有更好的光催化性能;镧掺杂TiO_2纳米管存在一个合理掺杂量,本试验条件下的最佳掺杂量为0.5%,其降解率可达到55.28%。 本研究通过稀土元素掺杂TiO_2纳米管进一步提高了纳米TiO_2光催化性能,为其在诸多领域得到广泛而又实质性应用提供了一种新的途径。
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