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模板组装技术制备TiO_2纳米线及其可见光催化性能的研究

刘祥志  
【摘要】: 针对TiO_2光催化技术中存在的光催化量子效率低,吸收和利用可见光谱范围有限等问题,本文采用溶胶-电泳法及溶胶-浸渍法与模板合成技术相结合,制备了氧化钛一维纳米阵列,通过各种表征手段研究了工艺参数对纳米阵列结构、形貌及光催化活性的影响。采用金属离子掺杂对制备的氧化钛纳米线进行改性,在实现了氧化钛光催化剂自负载化的同时大幅度地提高了其可见光催化活性。 采用溶胶-电泳-模板组装技术,在多孔氧化铝模板中制备了糖葫芦状氧化钛纳米线阵列,研究了电泳电压、打磨工艺、后处理方式和时间、煅烧温度等对于纳米线形貌及其紫外光催化性的影响。电泳电压是溶胶粒子迁移形成纳米线的主要驱动力,电泳电压为4V时,光催化性能最佳;选择NaOH溶液进行后处理要优于混酸溶液,并且后处理5min时,光催化性能达到最佳;煅烧温度对氧化钛晶型和光催化性能有影响,出现约10%金红石相时,光催化性能最好。采用溶胶-浸渍-模板组装技术,制备了杆状氧化钛纳米线阵列以及氧化钛纳米管阵列。常压浸渍由于驱动力不足无法生成一维纳米阵列,减压浸渍不同时间则可以得到有序的氧化钛纳米线和纳米管阵列。通过对甲基橙降解率的比较可知溶胶-电泳法制备的糖葫芦状纳米线的光催化性要优于溶胶-浸渍法制备的杆状纳米线,采用两种方法制备的纳米线和纳米管的光催化性都要明显地优于薄膜。 采用金属离子对氧化钛纳米线阵列进行掺杂改性,在可见光下考察掺杂纳米线的光催化活性。实验中选取过渡金属离子(Fe~(3+),Zn~(2+),Cr~(3+),Cu~(2+))和稀土金属离子(La~(3+),Ce~(3+),Nd~(3+))掺杂的氧化钛纳米线,通过在可见光下对甲基橙的降解率确定了每种离子的最佳掺杂量。另外,通过La~(3+)/Fe~(3+)共掺杂纳米线的制备可知两种金属离子的协同作用可以进一步地提高纳米线的可见光催化性能。通过对两种体系中的不同离子掺杂纳米线的可见光催化活性的比较,从掺杂能级、离子半径、电子构型、晶格膨胀等不同角度对于金属离子掺杂改性的机理进行了初步探讨。M/TiO_2复合薄膜的透射-吸收光谱测试结果发现其吸收带边红移至了可见光区,通过相关公式估算得到了其禁带宽度的数值。另外,金属离子掺杂纳米线的可见光催化活性要比薄膜试样提高3~8倍,而且纳米线试样表现出了非常良好的老化性能,这也使得在可见光下纳米线具有更大的应用前景和优势。


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