一维β-FeOOH纳米棒与纳米棒阵列的制备及光催化性能研究

论文摘要

随着全球性对环境保护的普遍关注,光催化材料在环境污染治理中的作用越来越重要。在光催化研究领域中,受到广泛研究的TiO2几乎对可见光没有响应,难以满足实际应用的需求。相比之下,β-FeOOH作为一种半导体,其能隙宽度窄于TiO2,可以利用太阳辐射中的大部分可见光,再加上具有制备容易、价格低廉、环境友好等优点,是很有发展前途的半导体光催化材料之一,然而有关β-FeOOH制备和光催化性能的研究报道较少。本论文主要针对β-FeOOH的结构和性能两方面的内容进行研究。采用水热法制备了一维棒状β-FeOOH纳米材料,利用其半导体性能对它进行了光催化研究；二是利用其形貌特征通过两步法制备了一维纳米棒阵列薄膜材料。主要研究内容和取得的成果如下：1.用水热法制备了两种不同形貌的β-FeOOH纳米棒（截面分别为圆形、四方形）,实验证明,两者均具有光催化活性。通过对光催化反应机理的探讨,研究了光催化效率相对较高的圆棒状β-FeOOH在不同pH值、催化剂投放量、H2O2浓度条件下光催化降解甲基橙染料动力学。结果表明：a)较低的pH值有利于染料分子在催化剂表面的吸附,加速甲基橙在β-FeOOH表面的光催化降解；b)光催化剂的表面积与催化剂的投放量呈比例,增加光催化剂的投放有助于光催化反应的进行；c)适量的H2O2能够有效提高溶液中.OH的含量,从而提高染料分子的光降解速率。2.采用两步法在玻璃基板上生长β-FeOOH纳米棒有序阵列薄膜。在玻璃上沉积一层氧化铁纳米晶薄膜作为晶种层,用水热法在晶种面上生长β-FeOOH纳米棒阵列膜。氧化铁纳米晶薄膜主要有两个作用,一是作为缓冲层,减少纳米棒生长时与玻璃衬底晶格失配造成的界面张力,二是可以作为纳米棒生长的晶核并约束纳米棒的生长方向。通过研究溶液的pH值、衬底放置方式和水热反应时间对β-FeOOH纳米棒阵列膜的影响,确立了制备有序β-FeOOH纳米棒阵列膜的优化条件。结果表明,当溶液pH=0.76时,在95℃常压条件下温和生长4h后,可以得到直径约为100nm,长度约为800nm的有序β-FeOOH纳米棒阵列薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 纳米材料概述
• 1.1.2 纳米材料性质
• 1.2 一维纳米阵列材料
• 1.2.1 纳米材料的分类
• 1.2.2 一维纳米阵列的制备方法
• 1.3 氧化铁的光催化反应
• 1.3.1 光催化氧化技术概述
• 1.3.2 光催化原理
• 1.3.3 Fenton效应
• 1.3.4 UV-Fenton效应
• 1.3.5 Vis-Fenton效应
• 1.4 FeOOH的结构和性质
• 1.4.1 FeOOH的组成及结构
• 1.4.2 FeOOH的物理性质
• 1.4.3 FeOOH的相型及其转化
• 1.4.4 FeOOH的表面物理化学性质
• 1.5 FeOOH的研究现状
• 1.5.1 FeOOH的应用
• 1.5.2 FeOOH的纳米阵列的制备
• 1.6 本研究的目的及可行性
• 1.6.1 研究的目的及可行性
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 实验仪器及材料的表征
• 2.1 化学仪器和试剂
• 2.2 材料的表征方法
• 2.2.1 X射线衍射方法（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）
• 2.2.4 差示扫描量热法（DSC）
• 第3章 甲基橙在β-FeOOH上的光致降解
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 催化剂的制备
• 3.2.2 光催化实验
• 3.2.3 测试分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 催化剂β-FeOOH的结构表征
• 3.3.2 吸附的作用
• 3.3.3 不同形貌β-FeOOH的光催化实验
• 3.3.4 pH值对光催化性能的影响
• 3.3.5 催化剂投放量对光催化性能的影响
• 2O₂浓度对光催化性能的影响'>3.3.6 H₂O₂浓度对光催化性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 一维有序β-FeOOH纳米棒阵列的制备与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 基片的清洗
• 4.2.2 有机盐热分解法制备晶种薄膜
• 4.2.3 一维有序β-FeOOH纳米棒阵列的制备
• 4.2.4 测试分析
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 铁氧体晶种薄膜的SEM和XRD分析
• 4.3.2 β-FeOOH纳米棒阵列基底的选择
• 4.3.3 水热溶液的pH值对β-FeOOH纳米棒阵列形貌的影响
• 4.3.4 基底放置方式对β-FeOOH纳米棒阵列形貌的影响
• 4.3.5 水热反应时间对β-FeOOH纳米棒阵列形貌的影响
• 4.3.6 β-FeOOH纳米棒阵列的取向性研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢