介孔二氧化钛光催化剂的制备、表征及性能研究

论文摘要

半导体光催化技术在利用太阳能和解决环境污染问题方面有着广泛的应用前景。在众多的氧化物半导体光催化材料中，TiO2以其光诱导下的强氧化性、无毒和长期稳定性等优点在净化环境方面表现出很好的应用前景。但是，纯TiO2块体光催化材料的光生电子-空穴对复合几率较高；另一方面，锐钛矿相TiO2的禁带宽度较宽，仅能在紫外光（λ＜387nm）的辐照下产生光催化作用，加上太阳光中紫外光的比例大约为4％，这就严重阻碍了TiO2光催化材料的推广应用。近十几年来，世界各国的科技工作者一直在努力地探索多种制备方法和改性手段来提高TiO2光催化效率和对太阳光的利用率。其中在TiO2中掺杂是目前制备高活性的TiO2光催化剂最为活跃的领域之一。 为了解决块体TiO2光催化剂的光催化效率低的特点，同时探索它在环境净化方面的应用。本论文从制备方法和掺杂两个方面对TiO2进行了改性，通过多种表征手段和先进的光催化活性测试技术对掺杂后的介孔TiO2光催化剂进行了一些研究。同时对影响TiO2光催化剂的活性因素和制约条件进行了探讨，为高活性的TiO2光催化剂在现实生活中的应用提供了理论和实验的支持。通过大量实验，取得了一些创新性成果，结果如下： 1．在没有任何表面活性剂作为模板剂的条件下，用超声水解方法在低温下制备了高活性的介孔纳晶TiO2粉体光催化剂。超声促进了Ti（OC4H9）4的水解，加快了TiO2粉体的晶化及介孔的形成。所有用超声水解方法制备的介孔纳晶TiO2粉体光催化剂的光催化活性高于商用的P25和用常规水解方法制备的TiO2粉体光催化剂。这主要是因为超声水解方法制备的样品具有高的比表面积、小的晶粒尺寸和两相（锐钛矿和板钛矿）结构。在光催化降解甲醛和丙酮的试验中，由于甲醛分子含有较少的碳原子和空间位阻，所以更容易降解。 2．用原位湿化学沉淀和热处理两种方法的配合制备了高活性的介孔纳晶N、S共掺杂的TiO2粉体光催化剂。当热处理温度为400～700℃时得到的掺杂的TiO2光催化剂具有很好的光催化活性，且明显优于商用P25。N、S掺杂通过N2p轨道、S3p轨道和O2p轨道间的杂化，降低了掺杂后TiO2粉体光催化剂的禁带宽度。导致了掺杂的TiO2具有强于商用P25的吸收光子的特性，且使TiO2对光的响应吸收边拓宽到可见光的范围。热处理温度为500℃时，掺杂后的TiO2在紫外光照射下降解丙酮的活性是商用P25的3倍多；在可见光的照射下降解甲醛

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 2光催化技术及研究进展'>第一章 TiO₂光催化技术及研究进展
• 1.1 引言
• 2的光催化作用原理'>1.2 半导体TiO₂的光催化作用原理
• 1.2.1. 二氧化钛的能带结构
• 2光催化剂的光催化原理'>1.2.2. TiO₂光催化剂的光催化原理
• 1.2.3. 纳米二氧化钛晶体的特征
• 1.2.3.1. 介孔材料的定义和起源
• 1.2.3.2. 纳米二氧化钛晶体结构特性
• 1.2.3.3. 纳米二氧化钛晶体光化学特性
• 1.3. 影响二氧化钛光催化活性的因素
• 1.3.1. 晶型的影响
• 1.3.2. 粒径的影响
• 1.3.3. 热处理温度的影响
• 2粉体光催化剂的改性技术'>1.4. TiO₂粉体光催化剂的改性技术
• 1.4.1. 耦合半导体
• 1.4.2. 金属沉积
• 1.4.3. 离子掺杂
• 1.4.3.1. 阳离子掺杂
• 1.4.3.2. 阴离子掺杂
• 2光催化剂的主要影响'>1.4.3.3. 掺杂离子对TiO₂光催化剂的主要影响
• 1.4.3.3.1. 掺杂离子对材料晶体结构的影响
• 1.4.3.3.2. 掺杂离子对材料能带结构的影响
• 2与粘土交联'>1.4.4. TiO₂与粘土交联
• 1.4.5. 表面光敏化
• 1.4.6. 表面螯合及衍生作用
• 2粉体光催化材料的制备方法'>1.5. TiO₂粉体光催化材料的制备方法
• 1.5.1. 溶胶-凝胶法
• 1.5.2. 水热法
• 1.5.3. 超声波化学制备法
• 1.5.3.1. 超声波化学
• 1.5.3.2. 超声沉淀
• 1.5.4. 湿混法
• 1.5.5. 气相法
• 2光催化材料的潜在应用领域'>1.6. TiO₂光催化材料的潜在应用领域
• 1.7. 气相光催化研究进展
• 2光催化应用中存在关键技术问题'>1.8. TiO₂光催化应用中存在关键技术问题
• 1.9. 本论文的目的及研究内容
• 参考文献
• 2光催化剂的超声制备'>第二章 介孔纳晶TiO₂光催化剂的超声制备
• 2.1. 引言
• 2.2. 实验部分
• 2.2.1. 实验步骤
• 2.2.2. 物性分析测试
• 2.2.3. 光催化活性测试
• 2.3. 实验结果与讨论
• 2.3.1. XRD分析
• 2.3.2. SEM分析
• 2.3.3. BET分析
• 2.4. 光催化活性测试
• 2.5. 结论
• 参考文献
• 2光催化剂的制备及活性的评价'>第三章 可见光活性的N、S共掺杂TiO₂光催化剂的制备及活性的评价
• 3.1. 引言
• 3.2. 实验部分
• 3.2.1. 实验步骤
• 3.2.2. 样品表征
• 3.2.3. 光催化活性测试
• 3.3. 结果与讨论
• 3.3.1. 差热-热重分析
• 3.3.2. 相组成和相结构分析
• 3.3.2.1. XRD分析
• 3.3.2.2. SEM和TEM分析
• 3.3.3. 比表面积和孔径分布分析
• 3.3.4. 元素（XPS）分析
• 3.3.5. 紫外漫反射光谱（UV- Vis）分析
• 2光催化活性测试'>3.3.6. 掺杂TiO₂光催化活性测试
• 3.4. 结论
• 参考文献
• 3+)掺杂TiO₂光催化剂的超声制备及活性的评价'>第四章 过渡金属(Fe³⁺)掺杂TiO₂光催化剂的超声制备及活性的评价
• 4.1. 引言
• 4.2. 实验部分
• 4.2.1. 实验步骤
• 4.2.2. 样品表征
• 4.2.3. 光催化活性测试
• 4.3. 结果与讨论
• 4.3.1. 差热-热重分析
• 4.3.2. XRD分析
• 4.3.3. 比表面积和孔径分布分析
• 4.3.4. 紫外漫反射光谱（UV-Vis）分析
• 4.3.5. 元素（XPS）分析
• 2光催化降解丙酮的活性评价'>4.3.6. 掺铁含量对TiO₂光催化降解丙酮的活性评价
• 2光催化降解丙酮的活性评价'>4.3.7. 热处理温度对TiO₂光催化降解丙酮的活性评价
• 4.4. 小结
• 参考文献
• 2光催化剂的制备及可见光活性的评价'>第五章 C、N、S共掺杂介孔TiO₂光催化剂的制备及可见光活性的评价
• 5.1. 引言
• 5.2. 实验部分
• 2粉末光催化剂的制备'>5.2.1. 掺杂TiO₂粉末光催化剂的制备
• 5.2.2. 物性分析测试
• 5.2.3. 光催化活性测试
• 5.3. 实验结果与讨论
• 5.3.1. 相组成和相结构分析
• 5.3.1.1. XRD分析
• 5.3.1.2. SEM和TEM分析
• 5.3.2. 比表面积和孔径分布分析
• 5.3.3. 元素（XPS）分析
• 5.3.4. 紫外漫反射光谱（UV-Vis）分析
• 2光催化活性评价'>5.3.5. 掺杂TiO₂光催化活性评价
• 5.4 结论
• 参考文献
• 2纳米复合薄膜的制备与表征'>第六章 超亲水的掺杂多孔TiO₂纳米复合薄膜的制备与表征
• 6.1. 引言
• 6.2. 实验部分
• 6.2.1. 基片的清洗
• 2薄膜的制备'>6.2.2. 预镀层SiO₂薄膜的制备
• 2薄膜的制备'>6.2.3. 掺铁TiO₂薄膜的制备
• 6.2.4. 薄膜的物性分析测试
• 6.3. 实验结果与讨论
• 6.3.1. XRD分析
• 6.3.2. 紫外可见光谱（UV-Vis）分析
• 6.3.3. XPS测试分析
• 2复合薄膜的性能分析'>6.4. 掺铁TiO₂复合薄膜的性能分析
• 6.4.1. 掺铁多孔复合薄膜的超亲水性
• 6.4.2. 掺铁复合薄膜的超亲水性
• 2复合薄膜光催化活性'>6.4.3. 掺铁多孔TiO₂复合薄膜光催化活性
• 6.5. 结论
• 参考文献
• 第七章 结论
• 读博期间发表的论文
• 致谢