Ti基光催化材料的微結(jié)構調(diào)控及性質(zhì)研究.pdf

1、現(xiàn)階段能源危機和環(huán)境污染已成為人類面臨和亟待解決的重大課題。光催化技術為我們提供了一種有效的解決能源和環(huán)境問題的有效手段。從本質(zhì)上說，光催化技術是利用光來激發(fā)半導體，利用它們產(chǎn)生的電子和空穴來參加氧化-還原反應。氫是理想的清潔能源，其熱效率是汽油的3倍，而且使用后不會產(chǎn)生任何污染。在眾多氫能開發(fā)的手段和途徑中，利用半導體光催化材料，直接把太陽能轉(zhuǎn)換為以H2為載體的化學能的太陽能光解水制氫過程具有清潔、廉價、低能耗的特點，是最為理想和最有

2、前途的氫能開發(fā)手段之一。除此之外，光催化材料能利用太陽能降解和礦化環(huán)境中的污染物，或?qū)⑵渥儚U為寶，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌缂状?、乙醇等有用的工業(yè)原料。因此光催化技術在解決能源和環(huán)境問題方面有重要的應用前景。
　　 二氧化鈦作為一種優(yōu)良的寬禁帶半導體材料，具有優(yōu)良的光催化活性，自上世紀70年代以來，一直都是光催化領域研究的重點，目前已經(jīng)初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。然而，由于其禁帶寬度較寬，僅能吸收利用占太陽光譜不足5％的紫外光，嚴重影響了其光催化效率。

3、因此，拓展二氧化鈦等寬禁帶半導體的光譜響應范圍，對進一步提高光催化材料，推動光催化技術的發(fā)展及其實用化都具有重要的意義。
　　 基于人們對納米材料結(jié)構與性能關系的研究，人們發(fā)現(xiàn)，材料的性能不僅取決于材料本身的組分，還跟材料的微結(jié)構，如:形貌、表面狀態(tài)、電子結(jié)構等微觀因素有關。因此，結(jié)合納米材料的調(diào)控手段，對材料的這些微結(jié)構參數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而改善材料本身的性能，具有重要的研究價值和實際意義。
　　 因此，本論文以Ti基半導

4、體光催化材料作為主要研究對象，結(jié)合微結(jié)構調(diào)控手段，對TiO2的晶相、形貌、尺寸以及Ti基層狀化合物的晶體結(jié)構進行調(diào)控，從而拓展這些寬禁帶半導體光催化材料的光譜響應范圍并提高光生載流子的分離效率，提高它們的光催化性能。具體研究內(nèi)容主要分為以下幾部分:
　　 第一章中，簡要介紹了半導體光催化技術的基本原理、主要應用及研究現(xiàn)狀。隨后介紹了幾種常見的微結(jié)構調(diào)控手段，以及材料的微結(jié)構調(diào)控對光催化性能的影響，并介紹了TiO2和幾種Ti基半導

5、體光催化材料的晶體結(jié)構、電子結(jié)構及其研究現(xiàn)狀和存在的問題。本章最后提出本論文的選題意義及主要研究內(nèi)容。
　　 第二章中，我們研究了TiO2晶相和形貌對光催化性能的影響。通過簡單的水熱方法合成了暴露｛110｝晶面的分等級金紅石TiO2微米球，系統(tǒng)研究了微米球的形貌、結(jié)構，通過觀察不同反應階段產(chǎn)物的形貌演變規(guī)律探討了其生長過程。通過調(diào)節(jié)實驗參數(shù)對其進行微結(jié)構調(diào)控，以光催化分解水制取氫氣來評價其光催化性能，得出不同微結(jié)構樣品的光催化活

6、性差異，分析了達到較高光催化活性的原因。利用TiCl3在有機溶劑乙二醇中的水解反應制備了具有可見光響應的混合相TiO2。研究了不同原料比例所制備的樣品的結(jié)構及形貌變化，分析了產(chǎn)生不同晶型產(chǎn)物的原因，對不同樣品的光吸收性質(zhì)進行了研究，實驗結(jié)果表明，所合成樣品有效擴展了TiO2的可見光響應范圍。以2，4-二氯苯酚為降解對象表征其在可見光下的光催化活性，證明其具有良好的可見光降解特性。
　　 第三章中，通過對TiO2進行改性，如:氫化

7、、氮化及直接水熱等不同處理方法對TiO2進行表面改性，拓展其光譜響應范圍，獲得一系列具有較強可見光吸收的TiO2材料，并研究了其相應的光催化性質(zhì)。
　　 以TiOF2立方塊為前驅(qū)體模板，氫氣氛中退火制備出氫化TiO2樣品。通過改變氫化溫度、時間分析研究最佳反應條件。利用XPS，紅外等表征手段對其進行表面分析，發(fā)現(xiàn)在氫氣中退火后，TiO2中存在少量Ti3+，并且其表面含有更多的Ti-OH鍵。通過對比氫氣中和空氣中退火樣品的光催化分

8、解水制氫實驗，發(fā)現(xiàn)H-TiO2體現(xiàn)出更高的光催化活性。利用直接水熱方法，以TiSi2為原料在HF調(diào)控下合成出具有高活性晶面｛001｝晶面暴露的藍色TiO2。研究了反應溫度、時間以及HF濃度對反應產(chǎn)物的影響。樣品在可見區(qū)域的吸收顯著增強。通過降解染料研究了其可見光下的光催化性能。微結(jié)構調(diào)控合成了NH4TiOF3前驅(qū)體微米片，將其在氮氣氛中退火得到黃色N摻雜片層狀TiO2粉末。XPS測試結(jié)果表明，N元素成功摻雜入TiO2中。經(jīng)氮化處理的樣品

9、，其可見光吸收顯著增強，氮化時間延長，光吸收增強程度加劇。
　　 第四章中，研究了Ti基含鉍層狀化合物光催化材料和合成及其光催化性能。通過水熱方法合成了具有分等級結(jié)構的Bi4Ti3O12微米球。通過觀察不同反應階段的產(chǎn)物晶相結(jié)構及形貌演變，探討了其生長過程。研究了使用不同的鈦源作為原料和不同礦化劑濃度對產(chǎn)物微結(jié)構的影響，對比了不同微結(jié)構樣品光催化活性差異。通過簡單的一步水熱法合成出新型光催化材料Bi2TiO4F2納米片，并首次研

10、究了其光催化性質(zhì)。通過第一性方法計算了其電子結(jié)構，得到其帶隙躍遷類型。以光催化降解羅丹明B染料和苯酚溶液來評價其光催化性能，并提出一種可行的光催化反應機理。
　　 第五章中，對本論文內(nèi)容進行了總結(jié)，分析和探討了現(xiàn)有研究工作存在的問題，并對未來的工作進行了展望。
　　 總之，Ti基半導體材料是一類重要的光催化材料，具有多種優(yōu)良性質(zhì)?；诓牧辖Y(jié)構同性能之間的關系，通過采用微結(jié)構調(diào)控手段，對Ti基光催化材料進行改性，從而提高其