微波辅助法低温制备纳米晶TiO2溶胶及其光催化性能

论文摘要

自1972年日本的Fujishima和Honda在Nature杂志上发表光分解水产生氢气的论文,TiO2就成了国内外的研究热点。已有研究大多围绕高活性纳米TiO2粉体的制备、多相光催化机理、提高TiO2的光催化效率等方面上,但是在TiO2光催化剂的制备过程中高温煅烧工序必不可少,限制了TiO2的广泛应用。如何在不需要高温煅烧的情况下就能制备出具有光催化活性的TiO2及TiO2膜是一项极具应用前景的研究工作。本文基于以上现状,开展了纳米晶TiO2溶胶的低温制备研究,同时利用微波辅助加热技术,更快速制备纳米晶TiO2。本论文以Ti（SO4）2为原料,水为溶剂,加入氨水调节pH至7-8,生成Ti（OH）4白色沉淀,用蒸馏水反复洗涤除去杂质离子,再分别以H2O2、HNO3作为胶溶剂,利用微波辅助加热技术,在常压、低于100℃条件下制备出了纳米晶TiO2溶胶。论文同时研究了微波作用时间和微波作用温度对纳米晶TiO2溶胶晶型的影响:对HNO3胶溶体系,进一步考察了胶溶体系的pH值对TiO2溶胶晶型的影响。通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）对TiO2溶胶进行了测试分析。结果表明:H202作胶溶剂时所得溶胶中TiO2颗粒呈锐钛矿与金红石混晶结构;所制备的TiO2溶胶颗粒约10nm3;而HNO3作胶溶剂时所得溶胶中TiO2颗粒呈锐钛矿与板钛矿混晶结构,其粒度为4-5nm;通过红外光谱分析（FT-IR）分析了TiO2溶胶结构其表面基团,利用热分析（TG-DTA）对TiO2的热稳定性能进行表征、采用紫外可见吸收光谱（UV-vis）对TiO2溶胶的吸光性能进行检测,最后,对HNO3胶溶体系,还考察了pH对TiO2溶胶内部结构和稳定性能的影响,通过TiO2溶胶的Zeta电位测试,对TiO2溶胶在不同pH条件下的稳定性能进行了表征。确定了TiO2溶胶的最佳制备条件:H2O2胶溶体系,微波作用时间1.5h,温度90℃;HNO3胶溶体系,pH为1,微波作用时间1.5h,温度90℃。在紫外光照条件下,以甲基橙为目标降解物,考察TiO2的光催化性能。光催化降解甲基橙结果显示:TiO2溶胶具有良好的紫外光催化活性,在最佳条件下制备的TiO2溶胶,50 min对甲基橙的降解率可达90%;同时将制备的溶胶用浸渍提拉法直接涂膜,经低温干燥后,所得TiO2薄膜也表现出良好的光催化性能,90 min对甲基橙的降解率可达到91%。在实验数据和理论分析的基础上,对比传统水浴加热与微波辅助加热制备的TiO2溶胶,对微波辅助加热机理分析,说明微波辅助加热技术优于传统加热方式,能够在常压低温条件下快速制备纳米晶TiO2。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 2基本性质与结构'>1.1 TiO₂基本性质与结构
• 2光催化剂的光催化机理'>1.2 TiO₂光催化剂的光催化机理
• 2的制备'>1.3 TiO₂的制备
• 1.3.1 溶胶凝胶法
• 1.3.2 水热法
• 1.3.3 沉淀法
• 1.3.4 钛醇盐高温水解法
• 2光催化活性的因素'>1.4 影响 TiO₂光催化活性的因素
• 1.4.1 晶型的影响
• 1.4.2 晶格缺陷的影响
• 1.4.3 粒径尺寸的影响
• 1.4.4 表面特性的影响
• 1.4.5 热处理温度的影响
• 2光催化剂的应用'>1.5 TiO₂光催化剂的应用
• 1.5.1 污水处理
• 1.5.2 空气净化
• 1.5.3 杀菌消毒
• 1.5.4 染料敏化太阳能电池（DSSC）
• 1.5.5 防污自清洁
• 1.5.6 在化妆品方面的应用
• 1.6 研究发展趋势
• 1.6.1 制备方法的改进
• 2的光敏化'>1.6.2 纳米TiO₂的光敏化
• 2的表面改性及分散'>1.6.3 纳米TiO₂的表面改性及分散
• 1.7 课题意义及立题依据
• 1.7.1 课题的提出
• 1.7.2 微波在化学合成中的应用
• 1.7.3 研究的内容
• 2 实验方法及原理
• 2.1 实验用主要原料和仪器设备
• 2.1.1 实验用主要原料
• 2.1.2 实验用主要仪器设备
• 2.2 实验工艺过程
• 2.3 材料的结构与性能表征
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 透射电镜测试（TEM）
• 2.3.3 热分析（DT-TGA）
• 2.3.4 紫外可见光吸收测试（UV-vis）
• 2.3.5 傅立叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.3.6 Zeta电位测试
• 2.4 光催化活性的表征
• 2.4.1 甲基橙的性质及光降解原理
• 2光催化反应动力学'>2.4.2 TiO₂光催化反应动力学
• 2光催化降解甲基橙'>2.4.3 TiO₂光催化降解甲基橙
• 2O₂胶溶制备纳米晶 TiO₂溶胶'>3 H₂O₂胶溶制备纳米晶 TiO₂溶胶
• 3.1 样品的制备及表征
• 3.1.1 溶胶样品制备
• 2薄膜的制备'>3.1.2 TiO₂薄膜的制备
• 2溶胶的表征'>3.1.3 TiO₂溶胶的表征
• 2薄膜的光催化性能表征'>3.1.4 TiO₂薄膜的光催化性能表征
• 3.2 实验结果与分析
• 2溶胶晶型的影响'>3.2.1 微波加热温度对TiO₂溶胶晶型的影响
• 2溶胶晶型的影响'>3.2.2 微波反应时间对TiO₂溶胶晶型的影响
• 3.2.3 溶胶的 TEM分析
• 2溶胶的结晶机理'>3.2.4 TiO₂溶胶的结晶机理
• 2的组成与结构分析'>3.2.5 纳米TiO₂的组成与结构分析
• 2的热分析'>3.2.6 TiO₂的热分析
• 2溶胶的光吸收性质'>3.2.7 TiO₂溶胶的光吸收性质
• 2溶胶涂膜的光催化性能'>3.2.8 TiO₂溶胶涂膜的光催化性能
• 3.2.9 溶胶的稳定性
• 3.3 本章小结
• 3胶溶制备纳米晶TiO₂溶胶'>4 HNO₃胶溶制备纳米晶TiO₂溶胶
• 4.1 样品的制备及表征
• 2溶胶及薄膜的制备'>4.1.1 TiO₂溶胶及薄膜的制备
• 4.1.2 溶胶的制备原理
• 4.1.3 结构与性能测试
• 2溶胶、薄膜的光催化活性表征'>4.1.4 TiO₂溶胶、薄膜的光催化活性表征
• 4.2 结果与讨论
• 2晶型的影响'>4.2.1 微波晶化温度对TiO₂晶型的影响
• 2晶型的影响'>4.2.2 不同pH对TiO₂晶型的影响
• 2溶胶的TEM分析'>4.2.3 TiO₂溶胶的TEM分析
• 2溶胶结晶机理'>4.2.4 TiO₂溶胶结晶机理
• 2溶胶的热重分析'>4.2.5 TiO₂溶胶的热重分析
• 2溶胶的红外分析'>4.2.6 TiO₂溶胶的红外分析
• 2的光催化性能测试'>4.2.7 TiO₂的光催化性能测试
• 2溶胶UV-vis测试'>4.2.8 不同pH值制备的TiO₂溶胶UV-vis测试
• 2溶胶的影响'>4.2.9 pH值对TiO₂溶胶的影响
• 4.3 本章小结
• 2晶体机制探讨'>5 微波辅助合成TiO₂晶体机制探讨
• 2晶体的低温制备原理'>5.1 TiO₂晶体的低温制备原理
• 5.2 微波辅助低温合成机制
• 5.2.1 微波加热的优点
• 5.2.2 微波加热与传统水浴加热的对比
• 6 论文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录