二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的制备、结构和性能研究

论文摘要

通过聚苯胺改进锐钛矿型二氧化钛的光催化性能具有重要的学术意义和实用前景,目前受到广泛关注。本文通过化学氧化原位聚合的方法制备了二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料,利用X-射线衍射、场发射透射电镜、傅立叶变换红外光谱、紫外-可见吸收光谱、X-射线光电子能谱、激光粒度分布、热失重分析等手段对复合微粒材料的结构和性质进行了表征,并测定了不同种类复合微粒的光催化性能。研究结果表明,苯胺含量、氧化剂种类和浓度、掺杂酸种类和浓度、反应温度和时间等制备条件对复合微粒材料的结构和性质有重要影响。复合微粒在溶液中的分散性明显优于TiO2;制备过程中TiO2的晶型没有发生改变;红外光谱分析表明TiO2和聚苯胺之间可能存在配位键和氢键等相互作用。提出了化学氧化法原位聚合制备二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的过程机理。聚合过程中,TiO2和苯胺单体之间的相互作用导致苯胺附着在TiO2微粒的表面,在其表面和盐酸溶液中同时发生聚合反应。溶液中聚合得到的聚苯胺也可能被TiO2微粒吸附,得到TiO2/聚苯胺复合微粒材料。紫外可见吸收光谱表明,复合微粒材料在紫外光区的吸收减少,在可见光区的吸收增加;而且其吸收边带明显的发生红移,说明其禁带宽度降低。分析讨论了复合微粒材料不同层次的结构特征及其与光学特性和光吸收间的关系。复合微粒材料分散性的提高增加了充分接受光照的表面积,提高了表面对光子的吸收能力,掺杂态聚苯胺增强了对可见光的吸收,复合微粒界面间配位键和氢键作用使其吸收光子后能量的传递更容易,电子结构决定其光吸收后能级的跃迁。研究结果还表明,TiO2/聚苯胺复合微粒材料光催化降解苯酚、甲基橙、2-萘酚的活性都有不同程度的提高,光催化反应速率符合L-H动力学方程。复合微粒材料对光吸收的变化,以及光生电子-孔穴复合率的降低,增强了空穴的氧化性,提高了光催化活性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 二氧化钛的光催化性能与应用研究
• 1.2.1 二氧化钛的光催化反应机理
• 1.2.2 二氧化钛的应用概况
• 1.2.3 二氧化钛光催化剂的局限性
• 1.2.4 二氧化钛粉末材料的改性研究进展
• 1.3 聚苯胺的研究现状
• 1.3.1 聚苯胺的合成方法
• 1.3.2 化学氧化法制备聚苯胺的机理
• 1.3.3 聚苯胺的结构
• 1.3.4 聚苯胺的导电机理
• 1.4 无机粒子/导电聚苯胺复合材料的制备方法
• 1.4.1 溶胶凝胶法
• 1.4.2 共混法
• 1.4.3 插层法
• 1.4.4 电化学合成法
• 1.4.5 自组装技术
• 1.4.6 原位聚合法
• 1.5 无机粒子/导电聚合物复合微粒的表征
• 1.5.1 微粒尺寸与分散状况的表征
• 1.5.2 表面与界面的作用表征
• 1.5.3 纳米复合粒子的形态结构表征
• 1.5.4 复合材料的热稳定性分析技术
• 1.6 课题的提出和本论文拟研究的内容
• 第二章 锐钛矿型二氧化钛的制备
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料及仪器
• 2.2.2 二氧化钛的制备过程
• 2.2.3 性能与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶胶凝胶法合成二氧化钛的实验原理
• 2.3.2 二氧化钛微粒材料制备条件的优化
• 2微粒材料光催化性能的影响'>2.3.2.1 水对 TiO₂微粒材料光催化性能的影响
• 2微粒材料光催化性能的影响'>2.3.2.2 抑制剂对 TiO₂微粒材料光催化性能的影响
• 2微粒材料光催化性能的影响'>2.3.2.3 分散剂对 TiO₂微粒材料光催化性能的影响
• 2.3.2.4 焙烧时间的影响
• 2.3.2.5 焙烧温度的影响
• 2.3.3 二氧化钛微粒的表征
• 2.3.3.1 二氧化钛的 X 射线衍射分析
• 2.3.3.2 二氧化钛的红外光谱分析
• 2.3.3.3 二氧化钛前驱体的热失重分析
• 2.3.3.4 二氧化钛微粒的形貌分析
• 2.3.3.5 二氧化钛的紫外-可见吸收光谱分析
• 2.3.3.6 二氧化钛的表面元素分析
• 2.3.4 二氧化钛纳米晶粒生长动力学
• 2.4 小结
• 第三章 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的制备与结构
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及规格
• 3.2.2 主要仪器与型号
• 3.2.3 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的制备
• 3.2.4 结构表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 制备条件对复合微粒材料的影响
• 3.3.1.1 制备过程分析
• 3.3.1.2 单体用量对复合微粒的影响
• 3.3.1.3 氧化剂浓度对复合微粒的影响
• 3.3.1.4 掺杂酸种类对复合微粒的影响
• 3.3.1.5 掺杂酸浓度对复合微粒的影响
• 3.3.1.6 反应时间对复合微粒的影响
• 3.3.1.7 反应温度对复合微粒的影响
• 3.3.2 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的结构与表征
• 3.3.2.1 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的形貌分析
• 3.3.2.2 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的红外光谱分析
• 3.3.2.3 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的 XRD 分析
• 3.3.2.4 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的表面元素分析
• 3.3.2.5 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的粒径及其分布
• 3.3.2.6 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的 UV-VIS 漫反射吸收光谱分析
• 3.3.2.7 二氧化钛/聚苯胺复合微粒的热稳定性分析
• 3.3.2.8 复合微粒中聚苯胺包覆量的计算
• 3.3.3 复合微粒材料的制备原理分析
• 3.3.4 复合微粒材料的结构和形态分析
• 3.3.5 复合微粒材料的光学特性及结构形态对光吸收的影响
• 3.4 小结
• 第四章 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的光催化性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料及规格
• 4.2.2 主要仪器与型号
• 4.2.3 性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 光催化反应原理与动力学
• 4.3.2 紫外光下苯酚降解反应级数的确定
• 4.3.3 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的结构对反应速率的影响
• 4.3.3.1 苯胺含量的影响
• 4.3.3.2 掺杂有机酸种类的影响
• 4.3.3.3 掺杂无机酸种类的影响
• 4.3.3.4 盐酸浓度的影响
• 4.3.3.5 氧化剂种类的影响
• 4.3.3.6 氧化剂浓度的影响
• 4.3.3.7 聚合温度的影响
• 4.3.3.8 聚合时间的影响
• 4.3.4 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料对苯酚降解表观活化能的影响
• 4.3.4.1 二氧化钛降解苯酚的表观活化能
• 4.3.4.2 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料降解苯酚的表观活化能
• 4.3.5 复合微粒材料的光催化机理分析
• 4.4 小结
• 第五章 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料的光催化活性评价
• 5.1 前言
• 2/PANI 复合微粒材料在太阳光下降解苯酚'>5.2 TiO₂/PANI 复合微粒材料在太阳光下降解苯酚
• 5.2.1 实验部分
• 5.2.1.1 实验原料及规格
• 5.2.1.2 主要仪器与型号
• 5.2.2 性能测试
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.3.1 苯胺含量对苯酚率降解率的影响
• 5.2.3.2 掺杂酸对苯酚降解率的影响
• 5.2.3.3 盐酸浓度对苯酚降解率的影响
• 5.2.4 二氧化钛/聚苯胺复合微粒材料光催化性能机理分析
• 2/PANI 复合微粒材料光催化降解甲基橙'>5.3 TiO₂/PANI 复合微粒材料光催化降解甲基橙
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.1.1 实验原料及规格
• 5.3.1.2 主要仪器与型号
• 5.3.2 性能测试
• 5.3.3 结果与讨论
• 5.3.3.1 氧化剂对复合微粒材料降解甲基橙速率的影响
• 5.3.3.2 二氧化钛对甲基橙降解表观活化能的影响
• 2/PANI 复合微粒材料对甲基橙降解表观活化能的影响'>5.3.3.3 TiO₂/PANI 复合微粒材料对甲基橙降解表观活化能的影响
• 2/PANI 复合微粒材料光催化降解 2-萘酚'>5.4 TiO₂/PANI 复合微粒材料光催化降解 2-萘酚
• 5.4.1 实验部分
• 5.4.1.1 实验原料及规格
• 5.4.1.2 主要仪器与型号
• 5.4.2 性能测试
• 5.4.3 结果与讨论
• 5.5 小结
• 全文结论
• 参考文献
• 发表论文情况说明
• 致谢