一維納米TiO2復合材料的水熱生長及其光催化性能研究.pdf

1、本論文是以鈦酸丁酯為原料，通過溶膠-凝膠法對納米TiO2進行摻雜復合改性，并通過水熱處理成功合成一維納米Tb/電氣石/TiO2復合材料。所以本課題不僅通過摻雜復合改性，還通過改變其形貌增加比表面積，來提高納米TiO2的光催化性能。文中系統(tǒng)的研究了煅燒溫度、稀土Tb摻雜量、電氣石復合量對溶膠-凝膠法制備的納米Tb/電氣石/TiO2復合顆粒的晶型、形貌及光催化性能的影響。同時考察了水熱反應溫度、反應時間、堿溶液濃度、煅燒溫度、稀土Tb摻量和

2、電氣石含量等因素對水熱處理合成的一維納米Tb/電氣石/TiO2復合材料形貌及光催化性能的影響，并對一維 Tb/電氣石/TiO2納米線、納米管、納米帶的水熱生長機理分別進行探討；同時分別對電氣石、稀土提高TiO2光催化活性影響機理進行研究，得出稀土Tb最佳摻雜量和電氣石的最佳復合量。結果表明：
　?。?）通過對溶膠-凝膠法制備的納米Tb/電氣石/TiO2復合顆粒工藝的研究：當煅燒溫度為500℃時，純納米TiO2降解率最優(yōu)為50.2％

3、，納米Tb/TiO2復合顆粒降解率最優(yōu)為75.1%，納米Tb/電氣石/TiO2復合顆粒降解率最優(yōu)為85.3%，此時稀土摻雜量為0.50%，電氣石復合量為0.5wt%，晶粒尺寸為8.9nm。
　?。?）煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復合對納米TiO2顆粒的光催化性能影響如下：當煅燒溫度為500℃時，納米Tb/TiO2復合顆粒和納米Tb/電氣石/TiO2復合顆粒均為純銳鈦礦相，隨著煅燒溫度的升高，比表面積降低，銳鈦礦相向金紅石相轉變；

4、稀土Tb的摻雜延遲晶型轉變，提高TiO2的熱穩(wěn)定性，此外還能抑制TiO2晶粒的生長；電氣石復合并未破壞納米TiO2銳鈦礦晶型結構。結果說明合適的煅燒溫度，適量稀土和電氣石的協(xié)同作用能有效的提高納米TiO2光催化性能。
　?。?）通過對水熱法處理納米Tb/電氣石/TiO2復合顆粒的工藝研究表明：水熱反應時間為24h，堿溶液濃度為10mol/L，當水熱溫度控制在140℃，可得到結構完整，管徑為5.3nm的Tb/電氣石/TiO2納米管；

5、當水熱溫度控制在180℃，可得到直徑約為10nm左右，長徑比較長的Tb/電氣石/TiO2納米線；當水熱溫度控制在200℃，可得到寬厚比大于10，直徑大約為400nm，厚度為150nm左右表面光滑的Tb/電氣石/TiO2納米帶。
　?。?）水熱溫度、NaOH堿溶液濃度、水熱時間、煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復合對一維納米TiO2復合材料形貌的影響如下：隨著水熱溫度提高，產物由納米管到納米線再到納米帶；隨著NaOH濃度的升高，水熱產

6、物的維度降低，總體生長趨勢是向多維空間的；隨著反應時間進行，產物趨于向穩(wěn)定的形貌狀態(tài)生長；隨著煅燒溫度的升高，高溫會破壞一維結構，變成較大的團聚顆粒狀；稀土鋱和電氣石的添加量對一維納米TiO2的形貌影響很小。
　?。?）水熱處理、煅燒溫度、稀土Tb摻雜及電氣石復合對一維納米TiO2復合材料光催化性能的影響如下：水熱處理對納米 TiO2的晶型有一定的影響，水熱處理后純金紅石相納米TiO2轉為銳鈦相納米TiO2，且一維納米材料具有更大

7、的孔體積和比表面積，對目標降解物的吸附能力大大提高；過高的煅燒溫度會破壞一維結構，降低光催化活性；電氣石復合與稀土Tb的摻雜協(xié)同能延遲晶型轉變，抑制 TiO2晶粒的生長，增大比表面積，吸收光譜的閾值波長發(fā)生紅移。
　?。?）溶膠-凝膠法制備的復合顆粒與水熱處理制得的一維復合材料進行對比如下：經過水熱處理制得的一維復合材料XRD特征峰很大程度的增高，表明水熱處理結晶質量不斷提高，TiO2晶面厚度在不斷生長。兩種方法制備的復合粉末中，

8、鋱離子摻雜和電氣石復合均提高了其光催化性能，電氣石具有永久電極性，能減少空穴電子對的復合，電氣石與TiO2之間Si-O鍵的鍵合作用增強了這種協(xié)同作用，同時電氣石與稀土的協(xié)同作用可以有效提高復合材料的光催化性能。
　?。?）無論是鋱離子的摻雜還是電氣石的復合均有一個最佳值，結論如下：鋱離子摻雜量為0.50%時降解率最佳，過多的稀土摻雜可能并未結合成鍵，只是簡單的浸漬復合，所以隨著稀土含量增多，降解率反而下降；電氣石復合量為0.5wt