核-殼結(jié)構(gòu)光催化材料的蒸汽相水解構(gòu)筑及其性能研究.pdf

1、核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料因其在能源、環(huán)境等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而引起了包括化學(xué)、物理及材料等在內(nèi)的不同學(xué)科科學(xué)家的普遍關(guān)注，對(duì)其進(jìn)行深入研究有重要意義。雖然核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料在制備合成及性能表征方面發(fā)展較快，但核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料的合成工藝、性能提升、可控構(gòu)筑等各個(gè)環(huán)節(jié)都存在許多尚未解決的問題，如核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料的形成機(jī)理還不夠明晰、合成工藝尚不夠豐富、制備方法難具普適性等。本文針對(duì)傳統(tǒng)方法如:化學(xué)氣相沉積法設(shè)備投資高、得到的產(chǎn)物大多為單晶

2、殼層、比表面積不高;層層自組裝法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，過程中往往用到對(duì)應(yīng)用有害的聚電解質(zhì);溶膠-凝膠法很多都對(duì)前驅(qū)體和溶劑介質(zhì)有特殊要求等諸多缺點(diǎn)，提出一種新的合成方法——蒸汽相水解技術(shù)來制備核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料。將蒸汽相水解技術(shù)應(yīng)用于輕質(zhì)PS/TiO2、磁性易回收Fe3O4/C/TiO2、金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)和硅藻土/Ta3N5可見光催化劑等不同體系，結(jié)果表明此方法是一種簡(jiǎn)便、低能耗且普適性強(qiáng)的制備方法，可用于合成多種核/殼結(jié)構(gòu)光催化材料

3、。
　　 (1)磁分離技術(shù)應(yīng)用于懸浮光催化劑體系可有效地解決納米顆粒固-液分離難題，可降低回收成本且節(jié)約能耗，是目前研究較熱的一種解決高活性光催化劑回收問題的方法。采用蒸汽相水解技術(shù)在較低溫度下合成了易于磁回收的核/殼結(jié)構(gòu)Fe3O4/C/TiO2光催化劑。核層Fe3O4/C粒子無需經(jīng)過任何表面處理即可完成包覆;銳鈦礦TiO2較均勻地包覆在了Fe3O4/C微球的表面，并保留了Fe3O4/C微球原有的形貌，且TiO2殼層的厚度可以通

4、過調(diào)整鈦前驅(qū)體與Fe3O4/C核層粒子之間的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從單層到數(shù)百納米;TiO2晶粒的大小和結(jié)晶度可以通過改變反應(yīng)溫度和時(shí)間來調(diào)整，殼層TiO2在未經(jīng)煅燒條件下即完美結(jié)晶;Fe3O4/C/TiO2顯示了高磁響應(yīng)靈敏度，且Fe3O4的磁飽和強(qiáng)度隨著非磁性殼層數(shù)量和厚度的增加而降低;碳過渡層隔離了Fe3O4核層和TiO2殼層，使Fe3O4/C/TiO2在光降解亞甲基藍(lán)實(shí)驗(yàn)中顯示了較高的光催化性能，且其5次循環(huán)實(shí)驗(yàn)的循環(huán)效率均未發(fā)生明顯變

5、化，證明Fe3O4/C/TiO2復(fù)合磁性光催化劑具有很好的穩(wěn)定性。
　　 (2)高反應(yīng)活性的納米TiO2粒徑小、比表面積大，可有效地縮短光生電子和空穴從催化劑內(nèi)部遷移到表面的距離、抑制光生電子和空穴的復(fù)合。隨著比表面積提高，表面自由能及表面結(jié)合能也迅速增大，導(dǎo)致納米TiO2大幅團(tuán)聚、懸浮性下降、光利用率降低，大大降低其光催化效率。采用蒸汽相水解技術(shù)制備得到了捕光效率高的輕質(zhì)PS/TiO2核/殼光催化劑。銳鈦礦TiO2在未經(jīng)煅燒條

6、件下被固定在PS微球表面，避免了在煅燒過程中PS核因熱穩(wěn)定性差而易分解的問題;TiO2殼層厚度可通過改變反應(yīng)體系中鈦前驅(qū)體與PS微球之間的比例進(jìn)行調(diào)節(jié);殼層TiO2晶粒的大小和結(jié)晶度可通過反應(yīng)溫度、時(shí)間來調(diào)節(jié);PS/TiO2具有良好的懸浮性、高光捕效率和催化活性。但循環(huán)實(shí)驗(yàn)指出其在降解污染物的過程中，PS核也會(huì)消耗部分光生自由基，使其光催化效率隨著時(shí)間的延長麗有所降低。在PS和TiO2之間包覆SiO2過渡層，可有效抑制上述負(fù)反應(yīng)，得到了

7、催化性能穩(wěn)定的PS/SiO2/TiO2核/殼光催化劑。
　　 (3)金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)光催化劑可有效地抑制光生電子-空穴的復(fù)合及增強(qiáng)光生載流子的分離效率，是一種催化性能優(yōu)異的新型光催化劑。尋找一種簡(jiǎn)單、低能耗的方法制備金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)光催化劑，并使其具有緊密的界面接觸和高的光催化活性仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。采用蒸汽相水解技術(shù)在較低溫度下合成了金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)光催化劑。隨著蒸汽相的溫度由100℃

8、提高至200℃，銳鈦礦相TiO2晶粒也由7.1nm增至15.6nm;類球狀的銳鈦礦TiO2晶粒緊密地包覆在由棒狀金紅石TiO2晶粒團(tuán)聚而成的微球表面，直接接觸形成了異質(zhì)結(jié)，使得核/殼結(jié)構(gòu)金紅石/銳鈦礦TiO2異質(zhì)結(jié)光催化劑在苯酚和亞甲基藍(lán)中的光催化活性都優(yōu)于金紅石和銳鈦礦TiO2單獨(dú)作用的結(jié)果。
　　 (4)納米級(jí)Ta3N5可見光光催化劑具有低能帶寬度和良好的可見光響應(yīng)，但其吸附性較弱，且在懸浮體系中的回收成本高、能耗大;將其固

9、定于大尺度的硅藻土載體上，在發(fā)揮其可見光催化性能的同時(shí)，改善其吸附性能并實(shí)現(xiàn)易回收顯得尤為重要。采用蒸汽相水解技術(shù)結(jié)合高溫氨解過程制備得到了核/殼結(jié)構(gòu)硅藻土/Ta3N5可見光光催化劑。無定形Ta2O5均勻地包覆在硅藻土表面，經(jīng)過氮化后得到了Ta3N5殼層，且Ta2O5的光譜吸收由紫外光區(qū)拓展到Ta3N5的可見光區(qū)域，Ta2O5完全氮化為Ta3N5后吸收帶邊界可移至600nm附近。Ta2O5完全氮化為Ta3N5的溫度可降至700℃，Ta3