二氧化鈦納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備及其光催化性能研究.pdf

1、全球性的污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，人們生存環(huán)境不斷惡化，如何有效地治理環(huán)境污染，尤其是水污染，成為了人類(lèi)面臨和亟待解決的重大課題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水污染中有機(jī)物的處理通常采用微生物處理法、活性炭吸附法、膜萃取法、化學(xué)還原法、超聲波降解法等傳統(tǒng)處理方法。雖然這些方法對(duì)水污染的治理起了很大作用，但是這些技術(shù)不同程度地存在著或效率低，不能徹底除去污染物，易產(chǎn)生二次污染；或使用范圍窄，僅適合特定的污染物；或能耗成本高，反應(yīng)器設(shè)計(jì)困難，不利于大規(guī)模推廣等方

2、面的缺陷。因此，開(kāi)發(fā)高效、低能耗、使用范圍廣和具有深度氧化能力的治理水污染的方法具有很重要的理論和實(shí)際意義。而光催化降解有機(jī)物作為一種新型高效的方法，進(jìn)入了科學(xué)家們的視野，并成為了近些年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　 Ti02作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，光催化活性高，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐光腐蝕性，是比較理想的光催化劑。隨著納米科技的快速發(fā)展，Ti02納米半導(dǎo)體材料在能源開(kāi)發(fā)和環(huán)境凈化等方面表現(xiàn)出了巨大的生命力，必將在環(huán)境治理領(lǐng)域和太陽(yáng)能

3、利用領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。但是以往的研究主要集中在二氧化鈦顆粒或者薄膜上，對(duì)于二氧化鈦納米帶的研究相對(duì)比較少。同時(shí)，由于Ti02納米顆粒應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域時(shí)，在光催化過(guò)程中顆粒本身易聚集，光的穿透深度受影響，且不易分離、難于回收重復(fù)利用。而二氧化鈦納米帶，解決了回收困難的難題。另外，還可以以Ti02納米帶為基礎(chǔ)，在其表面設(shè)計(jì)生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其光催化性能。
　　 本文的主要內(nèi)容是在水熱法批量制備高質(zhì)量Ti02

4、納米帶的基礎(chǔ)上，通過(guò)酸腐蝕法、光催化還原法以及液相法合成不同的納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且對(duì)納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化性能進(jìn)行了研究，旨在為以后的污水處理等實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 本論文的主要結(jié)論如下：
　　 1、通過(guò)水熱法大批量地合成高質(zhì)量的二氧化鈦納米帶。研究了熱處理溫度以及保溫時(shí)間對(duì)納米帶晶相和形貌的影響。結(jié)果表明：熱處理溫度為600℃，保溫時(shí)間為lh的二氧化鈦納米帶寬度在50～200nm，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十微米，厚度

5、在50nm左右；隨著熱處理溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，納米帶的形貌會(huì)受到一定程度地破壞；如果需要得到純相的銳鈦礦納米帶，熱處理溫度需要提高到800℃，而其他條件下的產(chǎn)物均為銳鈦礦和Ti02-B的混合相。通過(guò)光催化降解甲基橙對(duì)其光催化性能進(jìn)行了表征，以熱處理溫度為600℃，保溫時(shí)間為lh的納米帶光催化性能最佳。
　　 2、通過(guò)硫酸腐蝕的方法制各了Ti02納米顆粒@Ti02納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究了不同腐蝕溫度、不同硫酸濃度、不同反

6、應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的晶相以及形貌的影響，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度越高，酸濃度越大，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成，同時(shí)，也有利于銳鈦礦晶相的生成。相同的腐蝕時(shí)間，相同的酸濃度，反應(yīng)溫度60℃的產(chǎn)物的光催化性能遠(yuǎn)低于反應(yīng)溫度為100℃和140℃的產(chǎn)物。在相同溫度，相同的腐蝕時(shí)間下，酸濃度對(duì)產(chǎn)物的光催化性能影響不大。濃度為0.02 mol/L和1 mol/L的產(chǎn)物的光催化性能優(yōu)于濃度為0.1 mol/L和0.5

7、 mol/L的產(chǎn)物。通過(guò)酸腐蝕條件的探索，確定最佳腐蝕條件為100℃，0.02 mol/L。在100℃，0.02 mol/L的腐蝕條件下，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，光催化性能越好。反應(yīng)24 h的產(chǎn)物的光催化性能與P25相當(dāng)。Ti02納米顆粒@Ti02納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化性能提高的原因是由其特有的結(jié)構(gòu)所決定的。這也是納米顆粒的尺寸效應(yīng)、適量的缺陷、較高的比表面積、較多的活性面、能級(jí)的耦合調(diào)控多方面因素共同作用的結(jié)果。
　　 3、通過(guò)光催化還原

8、方法制備了Ag納米顆粒@Ti02納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究了不同溶劑和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的影響，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結(jié)果表明：Ag+被還原形成了Ag納米顆粒，原位組裝在Ti02納米帶的表面。在相同的光照時(shí)間下，納米帶表面沉積的銀顆粒，以乙醇作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸>以乙醇和水作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸>以水作溶劑生成的Ag的顆粒尺寸。在相同的反應(yīng)溶劑中，光照時(shí)間越長(zhǎng)，Ag的顆粒尺寸越大。不同條件制得的產(chǎn)物的光催化性能差別不大，對(duì)甲

9、基橙的降解率在38～44.9％之間。其光催化性能與普通的Ti02納米帶相比，降解率提高了近一倍。Ag@Ti02納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化性能提高的原因，主要在于Ag顆粒沉積于納米帶表面，形成Schottky能壘，Ag顆粒易于捕獲光生電子，降低了空穴-電子對(duì)的復(fù)合率；Ag顆粒上富集的電子會(huì)與Ti02納米帶表面吸附的02結(jié)合，形成超氧離子自由基(·02-)，從而進(jìn)一步氧化降解有機(jī)物。
　　 4、通過(guò)液相合成法在二氧化鈦納米帶表面沉積CdS

10、納米顆粒，制備了CdS納米顆粒@Ti02納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，還研究了CdS@Ti02納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化性能。所制得的產(chǎn)物為CdS納米顆粒沉積于Ti02納米帶的表面，Ti02納米帶的寬度為50～200nm，長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)十微米，厚度在50 nm左右，而CdS2為10nm左右的顆粒。與普通Wi02納米帶相比，其光催化性能有了一定的提高。光催化性能提高的原因在于CdS和Ti02的帶隙不同，不同帶隙的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)能級(jí)交錯(cuò)，有利于光生載流子的輸運(yùn)與

11、分離。
　　 5、通過(guò)硫酸溶液腐蝕和光催化還原相結(jié)合的方法制備Ag納米顆粒@Ti02納米顆粒@Ti02納米帶表面雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并研究了不同產(chǎn)物的光催化性能。結(jié)果表明：此納米帶雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最顯著特點(diǎn)是具有“自復(fù)活”性能，即使在空氣中被氧化，經(jīng)過(guò)紫外光照Ti02上產(chǎn)生的電子也能夠?qū)⑵溥€原為單質(zhì)Ag，從而保持雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化性能的長(zhǎng)效性。通過(guò)Ag納米顆粒沉積的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的光催化性能高于未沉積Ag納米顆粒的單異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶；經(jīng)過(guò)12