碳改性TiO2及其塊體結(jié)構(gòu)的制備與可見光活性研究.pdf

1、光催化降解環(huán)境污染物技術(shù)由于能夠利用太陽能而備受關(guān)注，其中TiO2光催化劑得到廣泛研究和應(yīng)用。但是TiO2的推廣應(yīng)用遇到兩個瓶頸問題：（1）TiO2禁帶寬度大，只能被太陽光中的紫外光激發(fā)；（2）研究多集中于TiO2粉體，限制了TiO2的應(yīng)用范圍。本文通過對TiO2進行碳改性以及宏觀尺度結(jié)構(gòu)控制來探索這兩個問題的解決方案。論文的主要內(nèi)容及研究結(jié)果如下：
　?。?）提出利用鈦酸四丁酯中的碳為碳源，對 TiO2進行碳改性。本論文僅以鈦酸

2、四丁酯和水為原料，通過控制鈦酸四丁酯不完全水解使得所得的無定形TiO2中存在著大量未水解的烷氧基和水解產(chǎn)物1-丁醇，并通過控制后續(xù)煅燒氣氛實現(xiàn)碳元素對TiO2的原位改性，制備具有可見光活性的碳改性TiO2。對碳改性TiO2的表征結(jié)果表明，碳元素以兩種方式對TiO2進行改性：一種以間隙態(tài)碳的形式存在于晶格中，一種以類石墨物質(zhì)存在于碳改性TiO2的表面。發(fā)現(xiàn)間隙態(tài)碳可以縮短帶隙寬度，類石墨物質(zhì)可以發(fā)揮光敏化作用。類石墨物質(zhì)的光敏化作用對碳改

3、性TiO2的可見光活性貢獻最大。結(jié)合核磁共振譜、拉曼光譜以及X射線光電子能譜分析結(jié)果討論了碳改性TiO2的合成機理。
　?。?）提出利用氧化石墨烯的化學性質(zhì)可調(diào)性，以改變反應(yīng)物中氧化石墨烯的投加量為實驗手段，實現(xiàn)對具有光敏化作用的氧化石墨烯/TiO2復合物光催化以及光電化學性質(zhì)的控制。以三氯化鈦和氧化石墨烯為反應(yīng)物，采用原位自組裝的方法制備了氧化石墨烯/TiO2復合物。對氧化石墨烯/TiO2復合物的表征結(jié)果表明復合物制備過程中的初

4、始反應(yīng)溶液中氧化石墨烯的濃度對氧化石墨烯/TiO2復合物的光電化學性能、光催化性能、碳元素的晶型結(jié)構(gòu)和化學狀態(tài)具有重要影響。氧化石墨烯在復合物中或者以 p型半導體存在或者以 n型半導體存在。這些半導體可以被波長大于510nm的光激發(fā)，具有光敏化作用。當氧化石墨烯以 p型半導體存在時，復合物具有 p-n異質(zhì)結(jié)特性。TiO2對氧化石墨烯的化學摻雜以及帶來的應(yīng)力是造成氧化石墨烯化學性質(zhì)差異進而導致復合物化學性質(zhì)差異的原因。
　?。?）采

5、用溶膠凝膠、相分離以及原位C、N改性相結(jié)合的方法，在溫和條件下干燥7天制得具有可見光活性的塊體 TiO2。研究了初始反應(yīng)溶液中鈦酸四丁酯與水的摩爾比對孔隙結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響。發(fā)現(xiàn)在鈦酸四丁酯與水的摩爾比為1：22時所制備的塊體TiO2具有最高的機械強度、比表面積、吸附性能及可見光催化降解甲基橙活性，同時發(fā)現(xiàn)，塊體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)對塊體的光催化活性具有重要影響。通過對最優(yōu)條件下制備的塊體TiO2進行進一步表征，結(jié)果表明塊體 TiO2以銳

6、鈦礦晶型存在，N元素和C元素同時存在于塊體 TiO2中，導致塊體TiO2具有可見光催化活性。討論了完整塊體TiO2的成功制備機理。其中乙酰丙酮與HCl組和可以控制鈦酸四丁酯水解、凝聚速度，甲酰胺控制溶液的pH值并引導相分離發(fā)生，水溶液則可控制相分離發(fā)生趨勢。
　　（4）研究了碳改性TiO2、氧化石墨烯/TiO2復合物以及塊體TiO2在降解環(huán)境污染物方面的應(yīng)用。以環(huán)境激素雙酚 A為目標污染物。通過添加?OH和O2?-捕獲劑來分析各種

7、材料降解雙酚 A過程中的主要活性物質(zhì)。結(jié)果表明碳改性TiO2、氧化石墨烯/TiO2復合物和塊體TiO2在可見光照45min、180min和8h時可使雙酚 A的分解率分別達到99.5％、96.2%和89%。在碳改性 TiO2的光催化反應(yīng)過程中，O2?-和光生空穴發(fā)揮著重要的作用，在塊體 TiO2的光催化反應(yīng)過程中，?OH、O2?-和光生空穴發(fā)揮著重要的作用，而在氧化石墨烯/TiO2光催化反應(yīng)過程中，O2?-發(fā)揮著重要的作用。初步探明了以上