負(fù)載型TiO2納米催化材料的制備與催化性能的研究.pdf

1、當(dāng)前，能源短缺和環(huán)境污染日漸受到人們關(guān)注，可再生能源的充分利用也日益受到青睞。太陽(yáng)能作為一種綠色、環(huán)保、清潔的天然可再生能源，其綜合利用引起人們極大的研究興趣。光催化技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效綜合利用最為可行的途徑之一。光催化技術(shù)的核心是光催化劑，光催化劑不僅需有效吸收太陽(yáng)光能，促進(jìn)光催化反應(yīng)的進(jìn)行，還最好具備無(wú)毒無(wú)害、可循環(huán)利用、合成簡(jiǎn)便、廉價(jià)等特性。隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米材料在光催化領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。半導(dǎo)體

2、二氧化鈦(TiO2)納米材料作為當(dāng)前研究最為廣泛的一種光催化材料，其合成簡(jiǎn)便、毒性低、廉價(jià)、高效、高穩(wěn)定性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于各類(lèi)光催化反應(yīng)中。然而，純銳鈦礦型TiO2由于禁帶寬度較大，只對(duì)紫外光有響應(yīng)，對(duì)太陽(yáng)光的利用僅為3-5％，因此在光催化應(yīng)用方面受到一定的限制。因此，研究者通過(guò)將TiO2與其他材料復(fù)合、負(fù)載和雜化，以提升其光催化性能。同時(shí)，針對(duì)粉體TiO2納米顆粒易團(tuán)聚問(wèn)題，研究者嘗試構(gòu)筑中空分級(jí)TiO2納米結(jié)構(gòu)，以增

3、大其比表面積，增加光催化反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物的富集效應(yīng)，使更多的催化活性位點(diǎn)暴露，提升光能的有效利用率，并最終達(dá)到提高其光催化活性和穩(wěn)定性的目的。
　　本文第一部分利用溶膠-凝膠法首先制備了中空TiO2(@TiO2)納米催化材料，并通過(guò)Ag+離子浸漬，獲得了@TiO2/Ag-AgCl納米催化材料。所得@TiO2/Ag-AgCl納米催化材料具有@TiO2分級(jí)結(jié)構(gòu)，其殼層內(nèi)外表面均勻分散有Ag-AgCl納米粒子。由于Ag-AgCl納米粒子

4、具有較強(qiáng)的表面等離子共振(SPR)效應(yīng)，因而所得@TiO2/Ag-AgCl納米催化材料對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生一定的光響應(yīng)。以有機(jī)染料甲基橙(MO)和羅丹明B(RhB)的光降解為模型反應(yīng)，對(duì)@TiO2/Ag-AgCl納米催化材料的光催化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究表明，@TiO2/Ag-AgCl納米催化材料能分別在8和20 min內(nèi)將MO和RhB完全降解。其較高的光催化活性主要源于@TiO2殼層上的Ag/AgCl納米粒子作為光敏材料，可產(chǎn)生的強(qiáng)SPR效應(yīng)，使

5、催化材料對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生響應(yīng)。同時(shí)，Ag/AgCl納米粒子可極化光誘導(dǎo)電荷，有利于電子-空穴的分離，增強(qiáng)光利用率，加快對(duì)有機(jī)染料的降解速率。
　　本文第二部分采用水熱原位刻蝕方法，以無(wú)定型@TiO2為反應(yīng)前軀體，以AgE和NaF為表面F刻蝕劑和貴金屬前驅(qū)體，通過(guò)一步法制備了負(fù)載型TiO2/Ag納米催化材料。所得TiO2/Ag納米催化材料分散性良好，Ag納米粒子均勻分散于TiO2表面，其形貌隨著反應(yīng)過(guò)程中AgE和NaF含量的變化，由橢球

6、形向立方體轉(zhuǎn)變。以4-硝基苯酚(4-NP)還原和有機(jī)染料RhB光降解為模型反應(yīng)，對(duì)TiO2/Ag納米催化材料的催化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。測(cè)試表明，TiO2/Ag納米催化材料在4-NP還原反應(yīng)中具有良好的催化性能，較多的Ag粒子活性位點(diǎn)的暴露促進(jìn)其催化性能的提高。同時(shí)，TiO2/Ag納米催化材料也顯示出對(duì)RhB降解的較高催化活性，可在8 min內(nèi)將RhB完全降解。Ag納米粒子與TiO2耦合所產(chǎn)生的SPR效應(yīng)，可有效提升TiO2/Ag納米催化材料的

7、光催化性能。同時(shí)，由于反應(yīng)過(guò)程中F離子的刻蝕，TiO2的形貌發(fā)生變化的同時(shí)，銳鈦礦結(jié)構(gòu)中高能{001}晶面發(fā)生暴露，促進(jìn)光催化過(guò)程中產(chǎn)生更多電子-空穴對(duì)，與反應(yīng)體系中OH-結(jié)合，生成大量的羥基自由基，加快對(duì)有機(jī)染料的分解。
　　本文第三部分利用水熱法制備了中空SnO2(@SnO2)納米結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Ag+離子浸漬，獲得了@SnO2/Ag-AgCl納米催化材料。同時(shí)，還利用溶膠-凝膠法制備了SiO2@TiO2納米結(jié)構(gòu)，在其表面負(fù)載貴金

8、屬納米粒子，并利用水熱法在其表面包覆SnO2殼層，制備了TiO2/M@SnO2(M=Pd、Ag、 Au和Pt)納米催化材料。所得TiO2/M@SnO2納米催化材料具有TiO2和SnO2雙殼層結(jié)構(gòu)，且分散性良好。TiO2與SnO2層間所負(fù)載的貴金屬納米粒子尺寸均一、分散均勻。以有機(jī)染料MO和RhB光降解為模型反應(yīng)，對(duì)所得@SnO2/Ag-AgCl納米催化材料的光催化性能初步評(píng)價(jià)。研究表明，@SnO2/Ag-AgCl納米催化材料可分別在3和