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改善纳米TiO_2光催化性能的合成方法研究

田国辉  
【摘要】: 近年来,半导体催化剂因其在空气净化、有害污染物治理和水清洁等环境方面的广泛应用而备受关注。在众多的半导体氧化物光催化剂中,TiO_2因其氧化能力强、廉价、物理化学性质稳定而成为被广泛应用的光催化剂之一。然而,TiO_2在实际应用中仍然存在着量子效率和可见光利用率低等问题,极大的限制了TiO_2的发展。本论文针对TiO_2光催化领域存在的这些问题,通过改善合成方法和优化实验条件制备出不同系列的光催化剂,研究了晶相结构、比表面积等性质对光催化活性的影响本质,为进一步发展高活性纳米TiO_2光催化剂的制备方法积累经验。本论文的主要内容如下: 发展了以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和氨水协同作用制备高活性纳米TiO_2光催化剂的方法。用该方法制备的TiO_2具有小晶粒、大比表面积、晶化程度高的优点,从而大大提高了光催化剂的催化活性。这种方法是在钛酸四丁酯水解得到的纳米晶和CTAB共存的条件下,经过水热和氨水回流处理,焙烧后制得小晶粒尺寸、大比表面积、晶化程度好的高活性纳米TiO_2光催化剂。在制备的过程中,CTAB抑制纳米粒子聚集并组装TiO_2纳米晶,氨水除与TiO_2纳米粒子有较强的相互作用外,在回流处理过程中还增强了CTAB与TiO_2纳米粒子的相互作用,这种CTAB与氨水间的协同作用极大地阻碍了TiO_2纳米粒子间的进一步接触,提高了TiO_2的热稳定性,抑制了在焙烧过程中晶粒的增长、聚集、比表面积降低和相转变的发生,使TiO_2在保持较小晶粒和较大比表面积的同时,仍然具有较适宜的晶化度,通过这种方法制备的TiO_2显示出了比Degussa P25更高的光催化活性。 发展了CTAB和乙二胺协同作用制备高活性纳米TiO_2光催化剂的方法。采用这种方法同样制备了小晶粒、大比表面积、晶化程度高的纳米TiO_2,这种方法中用乙二胺代替氨水主要是为了克服氨水易分解、成本高以及所带来的操作繁琐等缺点,并对CTAB和乙二胺协同作用制备高活性纳米TiO_2的合成机理进行了分析。所制备的纳米TiO_2的光催化活性显著高于Degussa P25,这为进一步制备高活性的纳米TiO_2提供了新的合成思路。 发展了改变溶剂极性制备晶相组成可控的介孔TiO_2的合成方法。该方法通过改变溶剂的极性(水和乙醇的比例)制备了纯锐钛矿以及锐钛矿和板钛矿比例可调的一系列介孔TiO_2。结果表明溶剂极性的不同会引起TiO_2中锐钛矿和板钛矿的相对含量、晶粒尺寸和比表面积的变化,研究了晶相结构、组成、比表面积等性质对光催化活性的影响。 发展了以高热稳定性、小晶粒、大比表面积TiO_2作为原材料制备氮掺杂TiO_2可见光催化剂的方法。这种方法是将按照本论文第5章的实验方法制备的锐钛矿TiO_2在空气中800℃焙烧后直接降至某一温度,通入NH3/N2的混合气,并在此温度下保持一定时间制备了氮掺杂TiO_2。结果表明,该方法可以有效地掺氮而同时保持原有的锐钛矿结构以及小晶粒、大比表面积的优点。氮掺杂后的TiO_2明显拓展了可见光响应范围,制备的适当氮掺杂量的TiO_2在保持较高的紫外光催化活性的基础上显著提高了可见光催化活性,显现出比同样条件下进行氮掺杂的Degussa P25高很多的光催化活性。 发展了ZrO_2改性的硫掺杂介孔TiO_2可见光催化剂的制备方法。该方法是在蒸发诱导自组装的基础上,通过加入硫脲和氧氯化锆制得具有可见光响应的硫掺杂介孔TiO_2,而ZrO_2的引入则显著的抑制了晶粒的生长和聚集,阻碍了锐钛矿向金红石的转变,同时也抑制了硫元素在焙烧时的过度损失。因此,所制备的ZrO_2改性的硫掺杂TiO_2相对于未改性的硫掺杂TiO_2具有更小的粒径、更大的比表面积和孔体积,并显示出比未改性的硫掺杂TiO_2更高的可见光响应和催化活性。


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