納米二氧化鈦—石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合材料的制備及其光催化性能研究.pdf

1、近幾十年來(lái)，光催化降解有機(jī)污染物引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，而由于二氧化鈦具有高催化活性、高氧化性、光穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還兼具有較低廉的價(jià)格和無(wú)毒等特性，使二氧化鈦成為目前研究光催化應(yīng)用中最為廣泛的材料。但是二氧化鈦屬于一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，只能被波長(zhǎng)較短的紫外光所激發(fā)，也就是說(shuō)僅能利用在太陽(yáng)光中占5％的紫外光，同時(shí)限制了二氧化鈦光催化技術(shù)在室內(nèi)的應(yīng)用。
　　自從發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，這種新型的單原子層二維結(jié)構(gòu)碳納米材料由于其優(yōu)異的

2、性能而被廣泛應(yīng)用，如大的比表面積、高的載流子遷移率、優(yōu)異的機(jī)械靈活性、良好的穩(wěn)定性以及對(duì)環(huán)境友好的特性；而石墨烯量子點(diǎn)除了具有石墨烯以上的優(yōu)異性能外，由于其尺寸在10 nm以下還具有較強(qiáng)的量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)。因此我們將石墨烯量子點(diǎn)引入到光催化領(lǐng)域，目的就是提高二氧化鈦的光催化活性。針對(duì)上面的問(wèn)題我們開(kāi)展了以下三個(gè)方面的研究工作：
　　在第二章中我們利用水熱法以鈦片為基底，在低濃度氫氧化鈉溶液中制備了長(zhǎng)徑比很大的TiO2納米線陣

3、列薄膜，并研究了TiO2納米線薄膜的形成機(jī)理，通過(guò)不同的表征技術(shù)例如SEM、HRTEM對(duì)樣品進(jìn)行了研究，結(jié)果表明TiO2納米線是垂直于基底表面豎直生長(zhǎng)的，并且薄膜能夠較好的附著于基底表面。XRD測(cè)試結(jié)果顯示所制備的 TiO2納米線為單晶銳鈦礦相，經(jīng)由 Na2Ti2O4(OH)2、H2Ti2O5·H2O轉(zhuǎn)變而來(lái)。
　　隨后我們對(duì)光滑的 TiO2納米線陣列進(jìn)行氨氣氣氛下熱處理，獲得了氮摻雜的納米線陣列薄膜，最后利用旋涂法與石墨烯量子點(diǎn)

4、進(jìn)行復(fù)合，制備了N-GQDs-TNW復(fù)合物，通過(guò)SEM、XRD、Raman等表征技術(shù)對(duì)樣品的形貌和晶型進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示經(jīng)氨氣氣氛下熱處理及石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合后并沒(méi)有改變樣品的形貌和單晶銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。紫外-可見(jiàn)漫反射譜的表征表明樣品的吸收帶邊幾乎相同，對(duì)光的吸收仍為紫外光區(qū)。我們進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行熒光光譜分析，結(jié)果表明復(fù)合物樣品的熒光最弱，說(shuō)明其電子空穴分離效果最好。之后我們通過(guò)對(duì)各種樣品進(jìn)行亞甲基藍(lán)降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明復(fù)合物樣品的光催化性

5、能較純的二氧化鈦納米線有所提高。
　　在第三章中我們通過(guò)兩步水熱反應(yīng)制備了分等級(jí)的銳鈦礦相TiO2納米線陣列薄膜。同上對(duì)分等級(jí)的TiO2納米線進(jìn)行氨氣氣氛下熱處理，獲得了氮單摻雜的具有分支結(jié)構(gòu)的納米線陣列薄膜，最后利用旋涂法與石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)行復(fù)合，制備了N-GQDs-HNW復(fù)合物，通過(guò)SEM、XRD、Raman等表征技術(shù)對(duì)樣品的形貌和晶型進(jìn)行了表征，形貌表征結(jié)果顯示原光滑納米線表面可明顯觀察到納米線分支的存在，結(jié)構(gòu)表征表明經(jīng)兩步水

6、熱反應(yīng)后樣品仍為銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)氮及石墨烯量子點(diǎn)修飾后樣品的形貌和晶相結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生改變。紫外-可見(jiàn)漫反射譜的表征表明所有樣品的吸收帶邊幾乎相同，對(duì)光的吸收同樣為紫外光區(qū)。進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行熒光光譜分析，結(jié)果表明N-GQDs-HNW復(fù)合物樣品熒光最弱，說(shuō)明其電子空穴分離效果最好。之后我們對(duì)各種樣品進(jìn)行亞甲基藍(lán)降解測(cè)試，結(jié)果表明N-GQDs-HNW復(fù)合物的光催化性能較純的二氧化鈦納米線有較大提高。對(duì)光催化機(jī)理的研究表明復(fù)合物光催化性能之所

7、以提高是由于其對(duì)于染料分子的吸附能力增強(qiáng)并且復(fù)合物中電荷分離效率也有很大的提高。
　　在第四章中我們分別以檸檬酸和硫脲、檸檬酸和尿素為原料，采用水熱合成法分別制備了S和N共摻雜石墨烯量子點(diǎn)和N摻雜石墨烯量子點(diǎn)，隨后通過(guò)旋涂法與TiO2納米線復(fù)合制備了S,N:GQDs/TNW、N:GQDs/TNW復(fù)合物樣品。紫外可見(jiàn)吸收光譜表明硫摻雜后復(fù)合物樣品的吸收帶邊明顯發(fā)生紅移。PL測(cè)試結(jié)構(gòu)分析顯示復(fù)合物中石墨烯量子點(diǎn)的熒光幾乎完全猝滅，說(shuō)明