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特定形貌钛酸锶材料的制备及其光催化性能研究

邹晓燕  
【摘要】:半导体光催化技术是一种反应条件温和的多功能绿色技术,在解决能源危机和环境问题等方面具有广泛的应用潜力。钙钛矿型钛酸锶(SrTiO_3)材料具有较大的非线性光学系数、所耗成本少、反应效率高、持久的光稳定性和化学稳定性等优点,是最好的N型半导体光催化剂之一。本论文主要围绕SrTiO_3可见光吸收能力差和光生电子-空穴复合率高这两个问题开展研究,合成了一系列具有特定形貌的SrTiO_3材料,有效提高了SrTiO_3材料的光催化性能。首先,利用一种简易的同形转化方法制备了一维SrTiO_3纳米管。以质子化的钛酸盐纳米管为前驱体和模板,在水热条件下合成SrTiO_3纳米管。该纳米管的管壁呈现出连续的多层结构,内外管径分别为8.0 nm和13.0 nm。通过对SrTiO_3纳米管形成机理的探究发现,SrTiO_3纳米管的形成包括Sr~(2+)取代钛酸盐纳米管中H~+和SrTiO_3纳米晶的原位生长两个过程。此外,我们还发现Sr~(2+)的浓度在SrTiO_3纳米管的形成过程中起到关键作用;最后,我们对制备的SrTiO_3纳米管进行光催化性能测试,结果表明:SrTiO_3纳米管具有较高的光催化还原Cr(Ⅵ)效率,在模拟太阳光下,6 h光催化还原Cr(Ⅵ)效率达到100%。其次,以乙二醇为封盖剂,通过简单的水热法制备出二维Cr掺杂SrTiO_3纳米片。该纳米片的平面长度大约是100 nm,厚度是20 nm;并且,该纳米片具有较高的比表面积。此外,我们考察了不同Cr掺杂量对SrTiO_3纳米片光催化性能的影响。研究表明,Cr掺杂可拓展SrTiO_3纳米片的光吸收范围至可见光区域,加强其对可见光的利用率;在所有的Cr掺杂SrTiO_3纳米片样品中,Cr掺杂量为0.9 wt.%的SrTiO_3纳米片表现出最高的光催化还原Cr(Ⅵ)效率,在可见光照射下,3.5 h可还原Cr(Ⅵ)效率达到92.0%。第三,通过新颖的方法制备出三维多孔的SrTiO_3微球。首先通过水热法得到类花状的钛酸盐前驱体,通过简单的煅烧前驱体得到三维多孔的SrTiO_3微球。该方法制备的微球,大小均匀,直径大约是5μm左右;微球的表面和内部都有很多蠕虫状的孔且SrTiO_3微球是由钛酸锶纳米晶组成。通过对制备的SrTiO_3微球进行光催化性能测试,结果表明:多孔SrTiO_3微球表现出较高的光催化还原Cr(Ⅵ)效率,在模拟太阳光下,4 h光催化还原Cr(Ⅵ)效率达到98.8%。本论文不仅为合成特定形貌的SrTiO_3材料提供了新思路,也为高催化活性、高稳定性的光催化材料的设计提供了借鉴。


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