二氧化钛光子晶体的制备及其光催化性能的研究

论文摘要

环境污染是全世界都在关注的焦点问题。相对廉价的TiO2光催化剂在紫外光的照射下就能去除污染物,且不会产生有毒的副产物,因此受到重视。但光催化氧化技术在实际应用过程中还存在许多问题,如TiO2光催化剂的光生电子和空穴对在迁移过程中易于复合,导致量子效率比较低,光催化效果不突出。光子晶体是一类具有优越性质的特殊材料,其中的反蛋白石光子晶体结构由于其多孔的结构具有一般纳米二氧化钛固体所没有的广大的比表面积。所以我们期望能够制备这样一种二氧化钛光催化剂,他首先是光子晶体结构的,其次其晶型是锐钛矿型和金红石型都有的混晶。这种结构与一般的纳米二氧化钛相比,有三个优点:1大的比表面积2大的孔体积3混晶。更大的比表面积有利于更多反应物在催化剂表面进行吸附,而更高的孔体积有利于各种反应物和产物在光催化反应过程中迅速扩散,从而使有机物更快的降解。并且有研究表明,两种半导体的复合或一种半导体中两种不同相间的复合都有利于减少光生电子和空穴的复合速率,从而提高光催化活性。本论文就是在此指导思想下,尝试制备特殊结构的二氧化钛催化剂,并通过对其进行光催化降解实验,考查此特殊结构是否能够增强它的光催化降解能力。本论文以聚苯乙烯为原料,利用自组装方法制备出不同粒径的胶体晶体正模板,并采用溶胶凝胶法把二氧化钛前驱体填充入制备出的胶体晶体中,经过陈化,热处理后,制备出具有光子晶体结构的二氧化钛反蛋白石材料,以亚甲基蓝和甲基橙作为目标降解物,测试了反蛋白石光子晶体TiO2的光催化性能。本论文研究重点是探索结构规整的PS胶体晶体的制备、二氧化钛前驱体填充PS的工艺控制、复合物的热处理程序和反蛋白石光子晶体二氧化钛的光催化性能的测试。从实验结果来看,这种特殊结构对二氧化钛的光催化能力有一定程度的增强作用,其中的增强机理需要做进一步的实验对其进行深入分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体的特征
• 1.1.1 光子带隙
• 1.1.2 光子局域
• 1.1.3 其它特征
• 1.2 光子晶体的结构
• 1.3 光子晶体的应用
• 1.3.1 光子晶体光纤
• 1.3.2 光子晶体激光器
• 1.3.3 光子晶体波导
• 1.3.4 高性能反射镜,高发射率小型微波天线
• 1.3.5 高效率发光二极管
• 1.3.6 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器
• 1.3.7 光子晶体谐振腔
• 1.3.8 光子晶体偏振片
• 1.3.9 仿生材料
• 1.3.10 温度传感器
• 1.4 胶体光子晶体的制备技术
• 1.4.1 重力沉降自组装
• 1.4.2 离心沉降自组装
• 1.4.3 过滤沉降自组装
• 1.4.4 物体限制下的自组装法
• 1.4.5 电泳沉积法
• 1.4.6 垂直沉积法
• 1.5 二氧化钛光催化技术及研究进展
• 1.5.1 研究背景
• 2 光催化研究概况'>1.5.2 纳米TiO₂光催化研究概况
• 2 光催化的优点'>1.5.3 纳米TiO₂光催化的优点
• 2 光催化在废水处理中的应用'>1.5.4 纳米TiO₂光催化在废水处理中的应用
• 2 光催化在空气净化方面的应用'>1.5.5 纳米TiO₂光催化在空气净化方面的应用
• 1.6 纳米二氧化钦光催化存在的问题及研究动向
• 1.6.1 量子效率的提高
• 1.6.2 可见光的利用
• 2 的固化'>1.6.3 TiO₂的固化
• 1.6.4 单一体系问题
• 2光催化剂在实际应用中的优势与不足'>1.6.5 TiO₂光催化剂在实际应用中的优势与不足
• 1.7 本论文研究意义和研究内容
• 第二章 单分散聚苯乙烯微球的制备
• 2.1 引言
• 2.1.1 无皂乳液聚合的原理
• 2.1.2 无皂乳液聚合法的优点
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.3.1 仪器清洗
• 2.2.3.2 反应过程
• 2.2.3.3 单分散聚苯乙烯胶体微球的后处理
• 2.2.3.4 单分散聚苯乙烯胶体微球的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 甲基丙烯酸浓度对反应产物微球粒径的影响
• 2.3.2 苯乙烯聚合过程中的凝胶现象
• 2.3.3 实验中要注意的其他问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 垂直沉积法制备高质量的胶体光子晶体
• 3.1 引言
• 3.1.1 晶格的生长
• 3.1.2 晶格前沿的形成
• 3.2 实验实验
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 实验过程
• 3.2.4 结构和性能的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 溶液质量分数对胶体晶体的影响
• 3.3.2 温度对胶体晶体的影响
• 3.3.3 其他因素
• 3.3.4 粒径与颜色
• 3.4 本章小结
• 2 薄膜'>第四章 溶胶－凝胶法制备大面积三维有序大孔TiO₂薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验过程
• 4.2.3 结构和性能的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 溶胶制备
• 4.3.1.1 二氧化钛/聚合物复合物形成机理
• 4.3.1.2 溶胶填充及热处理
• 4.3.2 两种不同前驱体的对比
• 4.3.3 前驱体浓度的影响
• 4.3.4 渗透次数的影响和填充方法的影响
• 4.3.5 热处理的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 光催化性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 实验方法
• 5.2.4 分析方法
• 5.2.5 标准曲线的绘制
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 亚甲基蓝初始浓度对光催化性能的影响
• 5.3.2 不同光源对光子晶体二氧化钛光催化性能的影响
• 5.3.3 不同孔径对光催化性能的影响
• 5.3.4 光子晶体结构与一般结构纳米二氧化钛的光催化性能的比较
• 5.3.5 光子晶体二氧化钛对不同种类有机物的降解性能比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文