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共轭聚合物复合TiO_2光催化剂的制备及其性能研究

孙卫国  
【摘要】: TiO_2具有光催化活性高,耐腐蚀能力强,稳定性好,环境友好,价格相对低廉且对人体无毒性等优点,已成为光催化降解有机物领域中研究最为广泛深入的一种光催化剂材料,但由于TiO_2的带隙较宽,为3.2eV,只能吸收波长较短的紫外光,故使得太阳能的利用率较低,不能在很短时间内使有机污染物降解,而且受激发后产生的光生电子和光生空穴又很容易复合。共轭高分子中的π电子有较高的离域程度,带隙相对较小,吸收可以覆盖从紫外到红外的很宽光谱范围。当无机半导体与共轭聚合物复合后,无机粒子表现出电子授体性质,即在自然光的照射下,电子由共轭聚合物转移到无机纳米粒子的导带,而无机纳米粒子价带上的电子转移到共轭聚合物,这样就减少了电子-空穴的复合几率。共轭聚合物有很好的化学稳定性,吸光强度比TiO_2高,电子被激发后容易发生转移,耐氧化能力强,有较高的分子量并且可以控制,且可以很好的控制共轭聚合物的能隙大小,与TiO_2能够良好的匹配,拓宽光谱响应范围,提高太阳能的利用率;其经过热处理后形成多孔表面,有较大比表面积,对光催化可以起到一定协同作用。本文采用能带接近的共轭聚合物对TiO_2进行表面修饰,探讨其对动力学行为和光催化性能的影响,揭示共轭聚合物与TiO_2间的相互作用本质。 采用溶胶-凝胶法制备了TiO_2粉末,聚糠醛(F)、8-羟基喹啉(Q)复合TiO_2光催化剂(PFQ/TiO_2)及聚糠醛(F)、8-羟基喹啉铝(AlQ3)复合TiO_2光催化剂(PFAlQ_3/TiO_2),并用原位聚合法制备了聚吡咯(PPy)复合TiO_2(PPy/TiO_2)和聚噻吩(PT)复合TiO_2(PT/TiO_2)光催化剂,制备的样品采用X射线衍射(XRD),紫外可见漫反射光谱(DRS),扫描电子显微镜(SEM),热重差热分析(TG-DTA),X射线能谱(EDS)等进行测试表征,并对降解甲基橙做动力学研究。 采用溶胶-凝胶法制备了PFQ/TiO_2和PFAlQ_3/TiO_2光催化剂,考察了热处理温度对TiO_2物相结构、光催化性能及微观结构等方面的影响。结果表明,所制备的复合光催化剂锐钛矿晶型没有改变,随着热处理温度的升高,锐钛矿晶相向金红石晶相转变,聚合物逐渐减少,由块状结构向粒状结构转变;当热处理温度为480℃时,PFQ/TiO_2和PFAlQ_3/TiO_2光催化剂带隙能量分别为2.99eV和3.03eV,吸收带边分别红移至415nm和410nm;共轭聚合物复合TiO_2光催化剂对光催化活性产生了协同作用,加速了光催化降解效率,2h甲基橙可见光降解率分别为93.53%和98.00%,而纯TiO_2降解率此时仅为2.5%左右,可见光催化活性得到较大提高。 采用原位聚合法制备了不同聚合物含量的PPy/TiO_2和PT/TiO_2光催化剂。PPy/TiO_2光催化剂为锐钛矿晶型,且粒径为纳米尺寸,带隙能量由3.19eV减小到2.87eV,吸收带边由389nm红移至433nm,复合之后颗粒分散性更好,可见光下PPy(1:120)/TiO_2的降解效率为最高,5h降解率为73.5%,为纯TiO_2的2倍左右;制备PT/TiO_2光催化剂为锐钛矿晶型,粒径为纳米尺寸,出现一个新的吸收带,位于400nm-600nm,最大吸收波长大约在520nm附近,复合后颗粒分散性更好,随着噻吩含量的增加,吸附有增加的趋势,对光催化起到一定协同作用,可见光下PT(0.75:100)/TiO_2的降解效率最高,6h降解率为70%,为纯TiO_2的1.75倍左右。 对PPy/TiO_2和PT/TiO_2光催化剂降解甲基橙水溶液光催化氧化实验数据进行积分法处理,发现经一级拟合后的相关系数最好,表明PPy/TiO_2和PT/TiO_2对甲基橙光催化降解遵循一级反应动力学规律。


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