煅烧温度对二氧化钛纳米管阵列形貌和光催化性能的影响

论文摘要

环境与能源是21世纪人类面临和有待解决的两大重要问题,而直接利用太阳能作为光源,成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。自1972年,Fujishima和Honda在TiO2电极上发现水的光催化分解作用以来,二氧化钛及其他半导体光催化材料由于在各种传感器、太阳能电池、光催化降解污染物等环境领域具有广泛的潜在应用前景而被人们深入研究。其中,二氧化钛由于其具有生物和化学惰性、氧化能力强、抗光、化学腐蚀能力强以及较低的生产成本等优点而被广泛用作光催化反应的催化剂。然而,由于二氧化钛光催化材料的太阳能利用率低,使其光催化活性在实际应用上需要得到进一步的提高,当前高活性纳米TiO2光催化材料的制备和TiO2光催化剂的固载等问题仍然值得优先考虑。本论文从阳极氧化TiO2纳米管阵列以及Bi-TiO2复合空心微球光催化材料的制备两个方面进行了有益的探索,所取得的成果如下：以氟化铵和异丙醇的混合水溶液为电解质,通过电化学阳极氧化纯钛片制备出高度有序的TiO2纳米管阵列,并在不同温度下进行煅烧处理。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对所制备的样品进行了表征分析。二氧化钛的光催化活性是通过在氙灯照射下光催化降解有机污染物甲基橙溶液来检测的。在氙灯照射下,二氧化钛表面产生的羟基自由基以对苯二甲酸为分子探针通过荧光技术进行了检测。瞬时光电流是通过几次循环开关氙灯激发产生并通过电化学工作站检测到。结果表明,低温煅烧对TiO2纳米管阵列的表面形貌与结构基本没有影响,制备的样品的稳定性能达到600℃。在800℃时,纳米管阵列完全坍塌,并形成致密的金红石相结构。随着煅烧温度的升高（300-600℃）,TiO2纳米管阵列的晶化增强,其光催化活性、羟基自由基的产生速率和光电流大小都随之增加。当煅烧温度达到600℃时,样品具有最好的光催化活性,这是由于其拥有多相结构、较好的晶化程度和稳定的管状结构。进一步将煅烧温度从600℃提高到800℃时,样品的光催化活性迅速降低,这是由于其锐钛矿相的消失、纳米管状结构的坍塌和表面积的减少引起的。通过搅拌蒸干煅烧的方法,制备了Bi-TiO2复合空心微球半导体光催化材料。实验结果表明,Bi-TiO2复合空心微球样品在420 nm以上的可见光光照条件下具有很高的可见光光催化活性。当铋和钛的原子比（RBi）为0.5时,所制备的复合半导体光催化剂具有最高的可见光光催化活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 二氧化钛光催化材料的研究背景
• 1.2 二氧化钛的光催化作用机理
• 1.2.1 二氧化钛的能带结构
• 1.2.2 二氧化钛的光催化作用原理
• 1.3 二氧化钛光催化活性的影响因素
• 1.3.1 粒径和比表面积的影响
• 1.3.2 晶相的影响
• 1.3.3 光源与光强的影响
• 1.3.4 反应温度和溶液pH值的影响
• 1.3.5 热处理温度的影响
• 1.4 二氧化钛光催化材料的制备方法
• 2'>1.4.1 气相法合成TiO₂
• 4氢氧焰水解法'>1.4.1.1 TiCl₄氢氧焰水解法
• 4气相氧化法'>1.4.1.2 TiCl₄气相氧化法
• 1.4.1.3 钛醇盐气相法
• 2'>1.4.2 液相法合成TiO₂
• 1.4.2.1 液相沉淀法
• 1.4.2.2 溶胶-凝胶法
• 1.4.2.3 微乳液法
• 1.4.2.4 水热法
• 1.4.2.5 阳极氧化法
• 2光催化剂的改性技术'>1.5 TiO₂光催化剂的改性技术
• 1.5.1 贵金属沉积
• 1.5.2 复合半导体
• 1.5.3 离子掺杂
• 1.5.4 光敏化
• 2光催化材料在实际应用中存在的不足'>1.6 TiO₂光催化材料在实际应用中存在的不足
• 1.6.1 废水处理
• 1.6.2 空气进化
• 1.6.3 保洁除菌
• 1.6.4 太阳能转换利用
• 1.6.5 应用中的不足
• 1.7 本论文的研究目的及意义
• 第2章 煅烧温度对二氧化钛纳米管形貌和光催化性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2纳米管阵列的制备及热处理'>2.2.1 TiO₂纳米管阵列的制备及热处理
• 2.2.2 样品的表征
• 2.2.3 光催化活性分析
• 2.2.4 羟基自由基分析
• 2.2.5 光电化学性能分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 形貌与相结构分析
• 2.3.2 光催化活性的分析
• 2.3.3 羟基自由基（·OH）分析
• 2.3.4 瞬时光电流
• 2.4 本章小结
• 2空心微球表面的复合对其可见光光催化性能的影响'>第3章 Bi在TiO₂空心微球表面的复合对其可见光光催化性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 2空心微球的制备'>3.2.1 TiO₂空心微球的制备
• 2复合空心微球的制备方法'>3.2.2 Bi-TiO₂复合空心微球的制备方法
• 3.2.3 样品的表征
• 3.2.4 光催化活性分析
• 3.2.5 羟基自由基分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 形貌与相结构分析
• 3.3.2 比表面积与孔径分布
• 3.3.3 紫外可见漫反射吸收光谱
• 3.3.4 光催化活性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 结论
• 参考文献
• 附录:硕士期间已发表和待发表的研究论文
• 致谢