寬頻響應(yīng)二氧化鈦纖維的制備、表征及其光催化性能研究.pdf

1、在水處理領(lǐng)域，特別是在處理水中難降解有機(jī)污染物方面越來越被人們重視。高級氧化技術(shù)(Advanced Oxidatiao Process，AOPs)是處理有機(jī)污染物的重要手段之一。TiO2作為一種光催化劑，因其無毒無害，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，光催化能力強(qiáng)受到人們的廣泛關(guān)注。然而，TiO2光催化走向真正的應(yīng)用還存在諸多困難，激發(fā)波長的限制是制約其應(yīng)用的主要原因之一。TiO2是一種寬禁帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.2eV，相對應(yīng)的激發(fā)波長在紫外區(qū)的3

2、87nm左右，而紫外波段的能量僅占全部太陽能的5％左右，無法充分利用絕大部分的的可見光能量（45％左右）。因此，減小TiO2禁帶寬度使吸收光譜向可見光擴(kuò)展成為目前最具挑戰(zhàn)性的課題。
　　 本文通過溶膠-凝膠法，結(jié)合干法紡絲和水蒸氣活化熱處理工藝，獲得了具有廣譜高效和寬頻響應(yīng)特性的Si、N共摻雜TiO2連續(xù)纖維。采用TG-DTA、XRD、TEM、SEM、XPS、Zeta電位、UV-VisDRS、FTIR及N2吸附-脫附等多種現(xiàn)代表

3、征手段對制得纖維進(jìn)行了表征。以水中難降解的偶氮染料X-3B為目標(biāo)污染物，綜合研究了Si，N共摻雜TiO2連續(xù)纖維在紫外、可見光照條件下的光催化活性，探討了纖維結(jié)構(gòu)與催化性能之間的構(gòu)效關(guān)系，重點(diǎn)研究了TiO2連續(xù)纖維的相結(jié)構(gòu)、顆粒形貌、尺寸大小等特性，綜合探討并評價了Si、N摻雜量和熱處理溫度對光催化活性的影響。內(nèi)容主要分為以下三個部分:
　　 第一部分，本文以鈦酸四丁酯為Ti源，γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)為Si源和N源

4、，基于改進(jìn)的溶膠-凝膠法，自主研發(fā)了介孔TiO2晶體纖維的新方法，結(jié)合干法紡絲和水蒸氣熱處理活化特殊工藝，成功制得了具有寬頻響應(yīng)的的N、Si共摻雜TiO2自支撐連續(xù)纖維，該纖維的基質(zhì)在900℃由具有較豐富雙介孔結(jié)構(gòu)的銳鈦礦和金紅石TiO2納米晶構(gòu)成。通過改變γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)的量和水蒸氣熱處理溫度，可以有效調(diào)控介孔TiO2纖維的晶型形貌、比表面積及孔結(jié)構(gòu)。熱處理溫度是影響TiO2纖維光催化性能的一個重要因素。當(dāng)加入KH

5、550量一定時（Si/Ti摩爾比為0.15）時，經(jīng)900℃水蒸氣熱處理活化后制得纖維具有最大的比表面積和孔容。在紫外光和可見光下，該纖維具有最佳的光催化活性和良好的光催化穩(wěn)定性，循環(huán)使用5次后，水中染料的降解率仍保持在90％以上，這就為有效解決納米TiO2懸浮相和固定化光催化技術(shù)所面臨的實用化難題提供了新的途徑。
　　 第二部分，本文以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH551)，N-氨乙基-γ-氨

6、丙基三乙氧基硅烷(KH791)為Si源和N源，基于改進(jìn)的溶膠-凝膠法，制備了具有寬頻響應(yīng)能力的介孔TiO2晶體纖維，這三種纖維在900℃均由銳鈦礦和金紅石型TiO2納米混晶構(gòu)成。0.15BTF-900和0.15CTF-900分別在398.5eV和398.4eV存在N的分峰，這兩種N都屬于取代N的分峰，而0.15ATF-900中N的摻雜方式全是間隙N，有文獻(xiàn)指出間隙N的光催化活性強(qiáng)于取代N，因此0.15ATF-900具有更高的可見光光催化

7、活性。XPS半定量結(jié)果顯示，0.15ATF-900N與Ti的物質(zhì)的量比約為5.0％，而0.15BTF-900和0.15CTF-900分別為7.2％和12.3％。以往研究中發(fā)現(xiàn)適量的N摻雜有利于TiO2吸收可見光，增強(qiáng)其可見光光催化活性，而過量的N摻雜導(dǎo)致TiO2表面氧的缺陷增強(qiáng)，能提高電子和空穴的復(fù)合幾率，不利于光催化活性的進(jìn)行。光催化結(jié)果說明適量的Si和N的摻雜有利于TiO2纖維對光的吸收，能夠增加光催化活性。綜上結(jié)果說明適量硅烷偶聯(lián)

8、劑KH550的加入能夠?qū)iO2纖維摻雜改性，能夠提高其光催化性能，適宜于水處理光催化的實際應(yīng)用。
　　 第三部分，以Si/Ti摩爾比為0.15的Si、N共摻雜TiO2晶體纖維為原材料，用1.5％的HF水溶液為表面改性劑，對該纖維進(jìn)行了基于表面特性的理化改性。研究結(jié)果表明，經(jīng)1.5％HF水熱法和浸漬法依次處理后的纖維可以在保持其銳鈦礦和金紅石結(jié)晶完好的前提下，獲得具有豐富雙（介）孔結(jié)構(gòu)，比表面積大的改性纖維。實驗表明，1.5％的

9、HF水熱法可以溶解纖維中的Si成分和部分無定形的TiO2，起到擴(kuò)孔、造孔的作用。較之改性前，改性后的纖維（SATF-F-H）的孔徑、比表面積和孔容三者同時增大;實驗進(jìn)一步表明，在改性纖維表面，F(xiàn)元素以吸附態(tài)F-形式存在實驗條件下，通過簡單方便且行之有效的改性處理，獲得了更加有利于提高纖維吸附富集效能和光催化活性的表面織構(gòu)和理化特性。在光催化實驗啟動前的暗吸附階段，改性后的纖維(SATF-F-H)去除率即可達(dá)48％;可見光照射45min，