摻雜鈦基納米材料的制備、表征及光催化性能研究.pdf

1、近年來(lái),非均相光催化在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)的水和氣相有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物的光催化去除研究方面取得了很大進(jìn)展,被認(rèn)為是一種極具發(fā)展前途的環(huán)境污染凈化技術(shù)。其中,鈦基光催化劑由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、光催化活性高、降解有機(jī)物徹底、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn),受到了廣泛的關(guān)注。然而,TiO2光量子產(chǎn)率低、光譜響應(yīng)范圍窄、固定化條件苛刻等缺點(diǎn)又制約著鈦基光催化劑的實(shí)用化和工業(yè)化。為了提高TiO2的量子產(chǎn)率及催化活性,摻雜改性被公認(rèn)為是一種較好的方法。目前,作為鈦基

2、納米材料摻雜組分的元素已覆蓋過(guò)渡金屬,貴金屬,稀土金屬和非金屬等等,但如何在光催化降解污染物的過(guò)程中高效利用這些具有良好性能的摻雜鈦基納米材料,特別是如何進(jìn)一步提高鈦基材料的可見光催化效率和降低其生產(chǎn)成本,仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　 基于此,本文一方面從制備具有可見光催化性能的納米結(jié)構(gòu)材料入手,采用溶膠凝膠法制備了一系列過(guò)渡金屬摻雜的鈦基反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料,這種復(fù)合功能材料可以將金屬摻雜的優(yōu)勢(shì)和反向蛋白石結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性質(zhì)相耦合,提高

3、材料的可見光活性；另一方面是采用嵌段共聚物輔助的溶膠凝膠法在120℃下得到了碘摻雜TiO2納米晶,其結(jié)晶,碘摻雜和介孔結(jié)構(gòu)的形成均在制備過(guò)程中同時(shí)完成,該方法具有條件溫和,能耗低,無(wú)需有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn),可降低合成可見光響應(yīng)型光催化劑的生產(chǎn)成本,具有較好的應(yīng)用前景。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　 第一,采用乳液聚合法,通過(guò)對(duì)乳化劑濃度,引發(fā)劑用量,攪拌速率與攪拌溫度等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化,得到平均粒徑為190nm,多分散指數(shù)為0.

4、0529的單分散聚苯乙烯微球。并在此基礎(chǔ)上,通過(guò)垂直提拉法成功制備了聚苯乙烯膠體晶體模板。其中,提拉過(guò)程在自行設(shè)計(jì)并組裝的提拉膜機(jī)上完成。與市售提拉膜機(jī)相比,自制的提拉膜機(jī)具備兩個(gè)特點(diǎn),一是通過(guò)兩重減速將提拉速度降低至1.5μm／min以滿足蛋白石結(jié)構(gòu)材料的組裝過(guò)程,二是通過(guò)以螺杠為核心的傳動(dòng)系統(tǒng)減少傳統(tǒng)裝置中利用導(dǎo)線所引起的誤差和不便。產(chǎn)物的形貌呈六方排列,具有典型的蛋白石結(jié)構(gòu),并且缺陷較少,可作為制備反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料的膠體晶體模板

5、使用。
　　 第二,在制備膠體晶體模板的基礎(chǔ)上采用溶膠凝膠法制備了TiO2反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料,并采用相似的方法,以過(guò)渡金屬鐵、鋅、鉻的硝酸鹽為摻雜組分得到了過(guò)渡金屬摻雜的鈦基反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料。樣品均呈現(xiàn)三維有序大孔的反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料特征,摻雜組分的引入及摻雜比的變化均會(huì)使樣品的形貌發(fā)生變化。過(guò)渡金屬離子分別以Fe3+,Zn2+,Cr3+的價(jià)態(tài)進(jìn)入到TiO2的晶格中,并導(dǎo)致Ti2p3軌道和O1s軌道存在化學(xué)位移,且TiO2表面

6、的羥基氧含量與未摻雜組分相比有所增加。以羅丹明-B和亞甲基藍(lán)作為降解底物的可見光降解實(shí)驗(yàn)表明,Fe摻雜鈦基反向蛋白石結(jié)構(gòu)材料的光催化活性明顯優(yōu)于未摻雜的樣品,其中摻雜比為10％的樣品活性最高,在4h內(nèi)對(duì)羅丹明-B的降解率達(dá)85％以上。此外,還以乳酸銨鈦?zhàn)鳛殁佋?硝酸鎳作為摻雜組分,采用水溶劑法制備了Ni摻雜鈦基反向蛋白石材料。該方法可進(jìn)一步拓展溶膠凝膠法的適用范圍。
　　 第三,利用三嵌段共聚物輔助的溶膠凝膠法在低溫條件下(12

7、0℃)制備了碘摻雜TiO2納米晶。結(jié)果表明,樣品呈銳鈦礦相TiO2特征,其原生顆粒粒徑約為5nm,在干燥后形成帶有介孔結(jié)構(gòu)的小顆粒團(tuán)聚體,其粒徑約為20～50nm,比表面積約為259m2／g,孔徑約為3.6nm。碘以I2或(I2)n的形式存在。與未摻雜樣品相比,其羥基氧含量和可見光區(qū)間內(nèi)的吸收明顯增強(qiáng)。并以羅丹明-B和二氯苯酚作為降解底物對(duì)低溫制備的碘摻雜TiO2納米晶進(jìn)行了可見光催化活性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,碘摻雜TiO2納米晶的催化活性明