碳-二氧化鈦納米復(fù)合材料的制備與光催化性能增強(qiáng).pdf

1、人類進(jìn)入21世紀(jì)后，環(huán)境污染的控制與治理是人類社會(huì)面臨的亟待解決的重大問題之一。自1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2電極光解水以來(lái)，半導(dǎo)體光催化材料由于在環(huán)境凈化及太陽(yáng)能利用方面具有廣泛的潛在應(yīng)用前景而成為人們研究的熱點(diǎn)。在眾多的氧化物光催化材料中，TiO2以其強(qiáng)氧化性、無(wú)毒性、光和化學(xué)穩(wěn)定性以及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)而成為最理想的環(huán)境治理光催化材料。正是由于這些優(yōu)異的性能，使得二氧化鈦在除臭、抗菌以及抗污、親水、防霧和除去水和空

2、氣中有害物質(zhì)等許多領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于TiO2顆粒中光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率較高，導(dǎo)致其量子產(chǎn)率較低，從而限制了TiO2光催化的推廣應(yīng)用。為了達(dá)到工業(yè)化要求，人們一直在努力地探索多種改性手段來(lái)提高TiO2光催化效率。半導(dǎo)體復(fù)合作為目前最有效的改性技術(shù)之一受到廣大研究者的關(guān)注。本論文采用碳族材料復(fù)合TiO2半導(dǎo)體來(lái)提高系統(tǒng)的電荷分離效果，進(jìn)而改進(jìn)TiO2的光催化活性。
　　 首先，以硫酸鈦(Ti(SO4)2)為前驅(qū)

3、物，多壁碳納米管(MWCNTs)為添加劑，通過一步水熱法制備出低納米管含量(0-0.5 wt％)的CNTs/TiO2復(fù)合材料，CNTs表面被介孔TiO2包覆。分別采用X射線衍射(XRD)、N2吸附-脫附等溫線(BET)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、紅外光譜(IR)、拉曼光譜(Raman)、X射線光電子能譜(XPS)和紫外可見吸收光譜(UV-vis)對(duì)所制備的樣品進(jìn)行表征。與以前報(bào)道的高CNTs含量的復(fù)合物不同，低

4、CNTs含量的復(fù)合物中，CNTs對(duì)TiO2的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和紫外光的吸收性能的影響很小。樣品的光催化活性是通過在紫外光照射下光催化氧化降解空氣中的丙酮來(lái)檢測(cè)的。實(shí)驗(yàn)表明，適量的CNTs(<0.1 wt％)能促進(jìn)光生電子一空穴對(duì)的分離，降低它們的復(fù)合率，從而提高TiO2納米顆粒的光催化活性；而高含量的CNTs(>0.1 wt％)和簡(jiǎn)單機(jī)械混合的CNTs由于界面電子轉(zhuǎn)移受阻和光生電子.空穴對(duì)的復(fù)合率較高，從而導(dǎo)致TiO2光催化活性下降。論文中對(duì)C

5、NTs提高光催化活性的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，分別通過熒光分析(PL)和瞬時(shí)光電流響應(yīng)對(duì)機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證。在驗(yàn)證的過程中，我們指出，由于CNTs對(duì)光的淬滅作用，瞬時(shí)光電流響應(yīng)是比PL光譜更可靠的一種揭示光生電子一空穴對(duì)復(fù)合率的手段。
　　 其次，以鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4，TBOT)為前驅(qū)體，富勒烯(C60)為添加劑，采用簡(jiǎn)單水熱法制備出低C60含量(0-1.5 wt％)的C60/TiO2納米復(fù)合材料。對(duì)所制備的樣品進(jìn)行一系列的

6、表征(XRD、BET、SEM、TEM、IR、Raman、XPS和UV-vis)，表明C60以單分子層的形式附著在雙峰介孔的TiO2晶體表面，同時(shí)通過共價(jià)鍵與TiO2緊密的聯(lián)系在一起。樣品的光催化活性是通過在紫外光照射下光催化氧化降解空氣中的丙酮來(lái)檢測(cè)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，C60顯著地提高了TiO2的光催化活性。尤其當(dāng)負(fù)載量在0.5wt％時(shí)，C60/TiO2納米復(fù)合材料的光催化活性是P25的3.3倍?；谶@個(gè)結(jié)果，我們提出C60作為“電子受體