二氧化钛基异质结/导电含氟聚合物纤维复合材料的制备与光催化性能

【摘要】：科技的发展使得人们对能源的需求逐年增加。化石能源的储量有限、污染严重等问题,使得人们对新能源的需求日益迫切。光催化技术可利用半导体材料将太阳光能转化为化学能,用于分解水制氢气和降解各种污染物。其具有氧化性强、反应条件简单、重复使用性好、高效等优点。二氧化钛是最常用的的光催化材料,但由于其能带间隙较宽,太阳光利用率低、催化剂粉体操作困难、难回收利用等缺陷导致其应用受到限制。研究具有高催化效率和易于操作的光催化材料对于半导体光催化剂的规模化应用具有重要理论意义和实践价值。本文以含有羧基的PVDF/SMA/石墨电纺纤维毡为载体,在水热条件下,通过纤维表面羧基对溶液中金属离子的络合吸附作用,将半导体材料负载于纤维表面,制备出二氧化钛基异质结/PVDF/SMA/石墨)纤维复合光催化材料。通过复合材料在可见光下催化分解水制氢的研究,探讨影响其光催化效率的因素和机理。主要内容包括以下四个方面：(1)TiO2@FeOOH/(PVDF/SMA)纤维复合材料的制备：以含有羧基的PVDF/SMA电纺纤维毡为载体,在水热85℃条件下,分别制备了FeOOH/(PVDF/SMA)纤维复合材料与TiO2@FeOOH异质结/(PVDF/SMA)纤维复合材料。制备的FeOOH晶体以针状包覆于氟碳聚合物纤维表面,Ti02晶体呈颗粒状生长于FeOOH周围,复合材料在300-535 nm区域有吸收。氙灯模拟太阳光降解甲基橙实验表明：光照2 h时,TiO2@FeOOH异质结/PVDF/SMA)纤维复合材料可降解甲基橙至2.04%,降解率分别是Degussa P25 TiO2的3.2倍、TiO2-FeOOH粉体的1.5倍。氙灯模拟太阳光催化水分解制氢实验表明：TiO2@FeOOH异质结/(PVDF/SMA)纤维复合材料具有较好的重复光催化能力,最大产氢速率达到769μmol·h-1·g-lcat。(2)不同硫化物与TiO2异质结/导电氟碳聚合物纤维复合材料的制备与光催化制氢性能。以导电性的PVDF/SMA/石墨电纺纤维为载体,通过水热反应分别负载了不同的硫属化合物与TiO2异质结。制备出CdSe@TiO2异质结/导电氟碳聚合物纤维复合材料,TiO2@SnS2/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料和TiO2@CdS/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料。TiO2均为锐钛相。氙灯模拟太阳光催化水分解制氢实验表明,导电纤维作为载体优于不导电纤维对复合材料光催化效率的提高；不同异质结中,CdSe@TiO2/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料光催化活性最高,TiO2@CdS异质结'(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料次之,TiO2@SnS2异质结'(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料最低。(3)通过Sn离子掺杂,利用水热合成法在(PVDF/SMA//石墨)纤维表面先后负载了Sn掺杂CdS,和TiO2,制备了TiO2@Sn掺杂CdS/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合光催化材料。在可见光催化水制氢的过程中TiO2@Sn掺杂CdS/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料有较高的催化活性,平均产氢速率为2885 μmol·h-1·g-1cat,是不导电纤维载体的1.4倍,是未掺Sn纤维复合材料的3.86倍。(4)通过Cl离子掺杂,制备了CdS@Cl-TiO2/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料。当TiO2中Cl原子的含量为0.45%,复合材料的能带间隙最窄,CdS@Cl-TiO2/(PVDF/SMA/石墨)纤维复合材料在氙灯模拟太阳光催化水分解制氢的试验中,制氢的平均速率为3260μmol·h-1·g-1cat,优于未掺杂Cl的和以不导电纤维为载体的复合体系,且具有较好的重复使用能力。