掺杂氧化钛纳米线阵列制备工艺优化及其可见光催化性能

论文摘要

本文首先在不影响所制备氧化钛（TiO2）纳米线可见光催化活性的基础上，对多孔氧化铝（PAA）模板的制备工艺和溶胶-电泳工艺进行了优化；然后系统研究了TiO2纳米线金属离子共掺杂、半导体掺杂以及半导体与金属离子共掺杂对TiO2可见光催化性能的影响；最后针对目前制备TiO2纳米线所采用溶胶是以钛酸丁酯为原料制备的有机体系，成本高且溶胶本身没有可见光催化性能等问题，采用了无机盐硫酸氧钛为原料制备了回流溶胶（RS）。并以RS溶胶为前驱体，采用溶胶-电泳沉积技术制备成TiO2纳米线，研究了其可见光催化性能及机理。一次阳极氧化1h，二次氧化4h，扩孔45min制备的模板，与传统工艺制备的模板孔径和孔深基本相同，所制备的TiO2纳米线的形貌、可见光催化活性基本相近。溶胶-电泳沉积时间控制在2.0min2.5min之间时，既能保证模板孔洞中生成的纳米线足够长，又能保证模板表面不会形成TiO2薄膜，从而在保证较高光催化效率的同时避免了控制难度较大的打磨工艺。与单掺杂相比，金属离子共掺杂TiO2纳米线具有更高的可见光催化性能，吸收波长进一步红移，禁带宽度进一步减小。不同掺杂离子的协同作用提高了TiO2对光的利用率以及光量子效率，但不同的两种掺杂离子表现出的协同作用不同。InVO4与TiO2两种半导体复合造成能级交错，实现载流子的有效分离，因而大幅度提高了TiO2的可见光催化活性。而InVO4与金属离子共掺杂虽然使TiO2的吸收波长进一步红移，但并没有进一步提高其可见光催化活性。以硫酸氧钛为原料制备的RS溶胶颜色为淡黄色，透明，流动性好，酸碱度为中性，稳定性良好。RS溶胶低温制备的TiO2薄膜表面颗粒结晶度较好，晶粒呈棒状，长3050nm，长径比为2，从XRD衍射图可以看出，晶粒晶相为锐钛矿相。RS溶胶制备TiO2纳米线最佳电泳电压为5V。未掺杂TiO2纳米线具有较高的可见光催化活性，可见光照射12h，对甲基橙的降解率达到81.4%，这与其表面过氧钛酸络合物的可见光敏化作用有关。掺杂后纳米线的吸收波长进一步红移，可见光催化活性进一步提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 绪论
• 2 的光催化机理'>1.2 TiO₂的光催化机理
• 2 光催化反应的影响因素'>1.3 TiO₂光催化反应的影响因素
• 2 晶型的影响'>1.3.1 TiO₂晶型的影响
• 2 晶粒尺寸的影响'>1.3.2 TiO₂晶粒尺寸的影响
• 2 表面特性的影响'>1.3.3 TiO₂表面特性的影响
• 1.3.4 其他影响因素
• 2 光催化活性的方法'>1.4 提高纳米TiO₂光催化活性的方法
• 1.4.1 金属离子掺杂改性
• 1.4.1.1 过渡金属离子掺杂
• 1.4.1.2 稀土金属离子掺杂
• 1.4.1.3 金属离子共掺杂
• 1.4.2 贵金属修饰
• 1.4.3 非金属掺杂
• 1.4.4 半导体复合
• 1.4.5 表面光敏化
• 2 一维纳米阵列体系'>1.5 TiO₂一维纳米阵列体系
• 1.5.1 纳米阵列组装体系与多孔氧化铝模板
• 2 一维纳米阵列'>1.5.2 氧化铝模板法制备 TiO₂一维纳米阵列
• 2 纳米阵列'>1.5.2.1 Sol-Gel 法制备TiO₂纳米阵列
• 2 纳米阵列'>1.5.2.2 直流电沉积模板合成TiO₂纳米阵列
• 2 纳米阵列'>1.5.2.3 水解沉淀法合成 TiO₂纳米阵列
• 2 光催化剂在环境保护方面的应用'>1.6 TiO₂光催化剂在环境保护方面的应用
• 1.6.1 处理废水
• 1.6.2 气态污染物的降解
• 1.6.3 光自洁作用
• 1.6.4 杀菌作用
• 1.7 纳米氧化钛光催化产业化前景
• 1.8 课题的提出和研究的主要内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验过程及方法
• 2.2.1 多孔氧化铝模板（PAA）的制备
• 2.2.2 氧化钛溶胶的制备
• 2.2.3 溶胶- 电泳法制备氧化钛纳米线
• 2 薄膜对比试样的制备'>2.2.4 TiO₂薄膜对比试样的制备
• 2.3 分析方法与测试
• 2.3.1 性能测试
• 2.3.2 光催化性能测试
• 第三章 掺杂氧化钛纳米线制备工艺优化
• 3.1 氧化铝模板制备工艺优化
• 3.1.1 第一次阳极氧化时间对模板有序性的影响
• 3.1.2 第二次阳极氧化时间对模板的影响
• 3.2 溶胶- 电泳沉积时间对模板表面状态和光催化性能的影响
• 第四章 共掺杂氧化钛纳米线可见光催化性能
• 4.1 金属离子共掺杂氧化钛纳米线
• 4.1.1 金属离子共掺杂氧化钛纳米线光催化性能
• 2 复合薄膜的UV -Vis 吸收光谱测试'>4.1.2 金属离子共掺杂 TiO₂ 复合薄膜的UV -Vis 吸收光谱测试
• 4.1.3 金属离子共掺杂机理
• 4.2 半导体掺杂及半导体与金属离子共掺杂氧化钛纳米线
• 2 纳米线光催化性能'>4.2.1 半导体掺杂及半导体与金属离子共掺杂 TiO₂纳米线光催化性能
• 4/TiO₂及InVO₄/M/TiO₂ 复合薄膜的UV-Vis 吸收光谱测试'>4.2.2 InVO₄/TiO₂及InVO₄/M/TiO₂ 复合薄膜的UV-Vis 吸收光谱测试
• 4/TiO₂及InVO₄/M/TiO₂ 复合半导体的可见光催化机理'>4.2.3 InVO₄/TiO₂及InVO₄/M/TiO₂复合半导体的可见光催化机理
• 4.3 掺杂氧化钛纳米线与薄膜的可见光催化性能对比
• 4.4 掺杂氧化钛纳米线老化性能
• 第五章 R S 溶胶制备氧化钛纳米线及其可见光催化性能
• 5.1 RS 溶胶性能表征
• 2 纳米线电泳电压探讨'>5.2 RS 溶胶制备TiO₂纳米线电泳电压探讨
• 2 纳米线可见光催化性能'>5.3 RS 溶胶制备TiO₂纳米线可见光催化性能
• 2 薄膜的紫外- 可见吸收光谱'>5.4 RS 溶胶低温制备TiO₂ 薄膜的紫外- 可见吸收光谱
• 2 纳米线可见光催化机理'>5.5 RS 溶胶制备TiO₂纳米线可见光催化机理
• 2 纳米线与薄膜光催化性能比较'>5.6 RS 溶胶制备TiO₂纳米线与薄膜光催化性能比较
• 2 纳米线光催化性能比较'>5.7 RS 溶胶与有机体系溶胶制备 TiO₂纳米线光催化性能比较
• 第六章 总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢