碳改性TiO_2及其块体结构的制备与可见光活性研究

【摘要】：光催化降解环境污染物技术由于能够利用太阳能而备受关注,其中TiO_2光催化剂得到广泛研究和应用。但是TiO_2的推广应用遇到两个瓶颈问题:(1)TiO_2禁带宽度大,只能被太阳光中的紫外光激发;(2)研究多集中于TiO_2粉体,限制了TiO_2的应用范围。本文通过对TiO_2进行碳改性以及宏观尺度结构控制来探索这两个问题的解决方案。论文的主要内容及研究结果如下: (1)提出利用钛酸四丁酯中的碳为碳源,对TiO_2进行碳改性。本论文仅以钛酸四丁酯和水为原料,通过控制钛酸四丁酯不完全水解使得所得的无定形TiO_2中存在着大量未水解的烷氧基和水解产物1-丁醇,并通过控制后续煅烧气氛实现碳元素对TiO_2的原位改性,制备具有可见光活性的碳改性TiO_2。对碳改性TiO_2的表征结果表明,碳元素以两种方式对TiO_2进行改性:一种以间隙态碳的形式存在于晶格中,一种以类石墨物质存在于碳改性TiO_2的表面。发现间隙态碳可以缩短带隙宽度,类石墨物质可以发挥光敏化作用。类石墨物质的光敏化作用对碳改性TiO_2的可见光活性贡献最大。结合核磁共振谱、拉曼光谱以及X射线光电子能谱分析结果讨论了碳改性TiO_2的合成机理。 (2)提出利用氧化石墨烯的化学性质可调性,以改变反应物中氧化石墨烯的投加量为实验手段,实现对具有光敏化作用的氧化石墨烯/TiO_2复合物光催化以及光电化学性质的控制。以三氯化钛和氧化石墨烯为反应物,采用原位自组装的方法制备了氧化石墨烯/TiO_2复合物。对氧化石墨烯/TiO_2复合物的表征结果表明复合物制备过程中的初始反应溶液中氧化石墨烯的浓度对氧化石墨烯/TiO_2复合物的光电化学性能、光催化性能、碳元素的晶型结构和化学状态具有重要影响。氧化石墨烯在复合物中或者以p型半导体存在或者以n型半导体存在。这些半导体可以被波长大于510nm的光激发,具有光敏化作用。当氧化石墨烯以p型半导体存在时,复合物具有p-n异质结特性。TiO_2对氧化石墨烯的化学掺杂以及带来的应力是造成氧化石墨烯化学性质差异进而导致复合物化学性质差异的原因。 (3)采用溶胶凝胶、相分离以及原位C、N改性相结合的方法,在温和条件下干燥7天制得具有可见光活性的块体TiO_2。研究了初始反应溶液中钛酸四丁酯与水的摩尔比对孔隙结构及光催化性能的影响。发现在钛酸四丁酯与水的摩尔比为1:22时所制备的块体TiO_2具有最高的机械强度、比表面积、吸附性能及可见光催化降解甲基橙活性,同时发现,块体内部的孔隙结构对块体的光催化活性具有重要影响。通过对最优条件下制备的块体TiO_2进行进一步表征,结果表明块体TiO_2以锐钛矿晶型存在,N元素和C元素同时存在于块体TiO_2中,导致块体TiO_2具有可见光催化活性。讨论了完整块体TiO_2的成功制备机理。其中乙酰丙酮与HCl组和可以控制钛酸四丁酯水解、凝聚速度,甲酰胺控制溶液的pH值并引导相分离发生,水溶液则可控制相分离发生趋势。 (4)研究了碳改性TiO_2、氧化石墨烯/TiO_2复合物以及块体TiO_2在降解环境污染物方面的应用。以环境激素双酚A为目标污染物。通过添加·OH和O_2·~-捕获剂来分析各种材料降解双酚A过程中的主要活性物质。结果表明碳改性TiO_2、氧化石墨烯/TiO_2复合物和块体TiO_2在可见光照45min、180min和8h时可使双酚A的分解率分别达到99.5%、96.2%和89%。在碳改性TiO_2的光催化反应过程中,O_2·~-和光生空穴发挥着重要的作用,在块体TiO_2的光催化反应过程中,·OH、O_2·~-和光生空穴发挥着重要的作用,而在氧化石墨烯/TiO_2光催化反应过程中,O_2·~-发挥着重要的作用。初步探明了以上三种材料可见光降解环境污染物双酚A的机理。