纳米结构TiO2/SiO2复合材料的制备、改性及光催化性能的研究

论文摘要

纳米TiO2具有许多独特的物理化学性质,广泛应用于涂料、造纸、陶瓷、化纤、化妆品、催化剂、抗菌剂、污水处理等行业。纳米TiO2作为光催化剂所具有的广谱、安全节能等独特的性质使其成为光催化领域应用前景最广阔的材料之一。纳米TiO2光催化体系主要有粉末悬浮体系和负载型光催化体系,悬浮性光催化体系由于存在易团聚和难回收等缺点给实际应用带来了一定的困难,而制备纳米结构TiO2/SiO2复合材料的纳米粉末固定技术有望成为解决这一问题的有效途径;同时以紫外线作为激发光源的光催化反应限制了纳米TiO2在实际中的应用,所以有必要对纳米TiO2进行改性,以进一步提高其光催化活性以及扩展其对光的吸收范围。本论文应用溶胶-凝胶与自组装相结合的方法、用较廉价的TiCl4作为原料、以SiO2为载体进行了纳米结构TiO2/SiO2复合粒子的可控晶型制备;在此基础上对样品进行了金属离子掺杂改性及PEG2000掺杂改性研究,并且以自然光为激发光源进行可见光催化实验,对样品的光催化性能进行了探讨。主要内容有:1.采用溶胶-凝胶与自组装技术相结合的方法、以TiCl4为原料、SiO2为载体进行了纳米结构TiO2/SiO2复合材料可控晶型的制备。讨论了煅烧温度、水解组装条件、水解温度、阴离子的添加种类及添加量等对复合材料的晶型结构的影响以及组装次数对样品表面形貌和样品中TiO2含量的影响;2.以负载型纳米结构TiO2/SiO2复合材料为催化剂,在紫外光照射下对低浓度的苯酚溶液、在自然光照射下对低浓度甲基橙溶液进行光催化实验。实验结果表明:晶型结构与光催化性能之间不是线性关系,锐钛矿含量为95%时光催化性能最好;不同的组装次数对样品光催化性能影响很大,二次组装的样品具有较高的光催化性能;3.对纳米结构TiO2/SiO2复合材料进行金属离子掺杂改性,在自然光照射下对甲基橙溶液进行光催化实验。发现适当添加金属离子能提高光催化剂的活性,缩短反应时间,在可见光照射下较短时间内能达到较高的降解率;掺杂金属离子改性的TiO2/SiO2复合材料的催化活性与金属离子的种类、掺杂量、组装次数以及煅烧温度有关,掺铁催化剂的最佳浓度为0.02%,掺锌催化剂的最佳浓度为0.1%;过渡金属离子掺杂作用的变化规律与离子带电电荷数和半径的比值的变化规律大致相同;单层组装样品、300℃煅烧后的样品光催化性能较好。4.对纳米结构TiO2/SiO2复合材料进行PEG2000掺杂改性,讨论其对样品表面形貌以及光催化性能的影响。添加PEG2000煅烧后复合材料表面呈现蜂窝状形貌;随着PEG2000添加量和组装次数的增多,样品表面蜂窝状形貌也随之明显;而且添加PEG2000后在某些区域还形成针状形貌,具体原因还有待进一步研究;PEG2000改性样品光催化性能明显提高;组装次数对改性样品光催化性能也有一定影响,从综合水平来看,以H2SO4控制晶型,添加相同量的PEG2000样品组装一次样品能够一直保持较高的光催化活性;而以NaH2PO4控制晶型组装二次样品的光催化性能一直保持较高的光催化活性,其原因还有待研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 引言
• 2在光催化领域的应用及晶型控制条件'>2 纳米结构TiO₂在光催化领域的应用及晶型控制条件
• 2在光催化领域的应用'>2.1 TiO₂在光催化领域的应用
• 2的晶型结构'>2.2 TiO₂的晶型结构
• 2制备方法'>3 负载型纳米TiO₂制备方法
• 2粒子的制备'>3.1 纳米TiO₂粒子的制备
• 2粒子的制备（溶胶-凝胶法）'>3.1.1 纳米TiO₂粒子的制备（溶胶-凝胶法）
• 2载体的选择'>3.1.2 负载型纳米TiO₂载体的选择
• 2复合粒子的制备'>3.1.3 纳米TiO₂复合粒子的制备
• 3.1.4 自组装成膜（SA）技术
• 2/SiO₂复合粒子的改性方法'>3.2 纳米结构TiO₂/SiO₂复合粒子的改性方法
• 4 选题意义及研究方案
• 4.1 选题意义
• 4.2 研究方案
• 4.2.1 载体的选择
• 4.2.2 自组装介质的选择
• 2/SiO₂的制备和改性'>4.2.3 纳米结构TiO₂/SiO₂的制备和改性
• 4.2.4 光催化实验
• 4.2.5 表征方法
• 2/SiO₂复合材料的可控晶型制备'>第二章 负载型纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的可控晶型制备
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 主要仪器和试剂
• 2/SiO₂复合材料的制备'>2.2 纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的制备
• 2载体的预处理'>2.2.1 SiO₂载体的预处理
• 2.2.2 四氯化钛溶胶的制备
• 2.2.3 逐层自组装
• 2.3 产品的表征和分析
• 3 结果和讨论
• 3.1 纳米结构的组装机理
• 3.1.1 十二烷基硫酸钠吸附曲线的测定
• 3.1.2 溶胶的制备
• 3.1.3 能谱分析
• 3.1.4 组装示意图
• 2负载粒子晶型的影响因素'>3.2 合成条件对TiO₂负载粒子晶型的影响因素
• 2负载粒子晶型的影响'>3.2.1 自组装过程对TiO₂负载粒子晶型的影响
• 3.2.2 煅烧温度的影响
• 3.2.3 水解及组装条件的影响
• 3.2.4 水解温度的影响
• 3.2.5 阴离子掺杂的影响
• 2负载粒子的可控制备'>3.2.6 纳米TiO₂负载粒子的可控制备
• 2负载粒子其它性质的影响'>3.3 实验条件对纳米TiO₂负载粒子其它性质的影响
• 3.3.1 水解组装条件对表面形貌的影响
• 3.3.2 添加阴离子对粒径及表面相貌的影响
• 2含量及表面形貌的影响'>3.3.3 组装次数对TiO₂含量及表面形貌的影响
• 4 小结
• 2/SiO₂复合材料光催化性能的研究'>第三章 负载型纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料光催化性能的研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 光催化降解苯酚体系
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 主要仪器和药品
• 2.1.3 实验步骤
• 2.2 光催化降解甲基橙体系
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 主要仪器和药品
• 2.2.3 实验步骤
• 3 结果和讨论
• 2/SiO₂复合粒子光催化性能的影响因素'>3.1 纳米结构TiO₂/SiO₂复合粒子光催化性能的影响因素
• 3.1.1 反应条件的影响
• 3.1.1.1 不同水浴温度
• 3.1.1.2 超声与水浴
• 3.1.2 晶型结构的影响
• 3.1.3 自组装次数的影响
• 4 小结
• 2/SiO₂复合材料的改性及其光催化性能'>第四章 金属离子掺杂对纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的改性及其光催化性能
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 主要仪器和设备
• 2/SiO₂复合材料的制备'>2.2 掺杂金属离子改性的纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的制备
• 2载体的预处理'>2.2.1 SiO₂载体的预处理
• 2.2.2 四氯化钛-金属离子溶胶的制备
• 2.2.3 逐层自组装
• 2/SiO₂复合材料的光催化实验'>2.3 掺杂金属离子改性的纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的光催化实验
• 3 结果与讨论
• 2/SiO₂复合材料晶型的影响'>3.1 掺杂金属离子对TiO₂/SiO₂复合材料晶型的影响
• 2/SiO₂复合材料光催化性能的影响因素'>3.2 掺杂金属离子对TiO₂/SiO₂复合材料光催化性能的影响因素
• 3.2.1 掺杂离子浓度
• 3.2.2 掺杂离子种类
• 3.2.3 自组装次数
• 3.2.4 煅烧温度
• 4 小结
• 2/SiO₂复合材料的制备及光催化性能的研究'>第五章 PEG2000改性纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的制备及光催化性能的研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 主要仪器和药品
• 2/SiO₂复合材料的制备'>2.2 表面造孔改性的纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的制备
• 2载体的预处理'>2.2.1 SiO₂载体的预处理
• 2.2.2 四氯化钛-PEG2000复合溶胶的制备
• 2.2.3 逐层自组装
• 2/SiO₂复合材料的光催化实验'>2.3 PEG2000改性纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料的光催化实验
• 3 结果与讨论
• 2/SiO₂复合材料表面形貌的影响因素'>3.1 PEG2000改性纳米结构TiO₂/SiO₂复合材料表面形貌的影响因素
• 3.1.1 不同阴离子的影响
• 3.1.2 PEG2000添加量的影响
• 3.1.3 组装层数的影响
• 3.1.4 特殊形貌
• 2/SiO₂PEG改性复合材料的光催化性能'>3.2 纳米结构TiO₂/SiO₂PEG改性复合材料的光催化性能
• 3.2.1 PEG2000添加量的影响
• 3.2.2 自组装次数的影响
• 4 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文情况
• 致谢