论文摘要
过渡金属氧化物有很多独特的性质,自从1992年Mobile的研究人员成功合成出介孔二氧化硅后,众多的研究人员致力于过渡金属氧化物介孔材料的合成和应用。二氧化钛就是一种非常重要的过渡金属氧化物半导体材料,广泛应用在催化、光催化、传感器、太阳能电池和光电转换等领域。尽管研究人员已经成功制备出具有无定型孔壁或有纳米晶镶嵌于无定型孔壁之上的介孔二氧化钛,但是其应用受到了很大的限制,因为只有晶态的二氧化钛才能在近紫外光激发下有效地产生光生电子和光生空穴。同时具有长程有序介孔结构和高度结晶孔壁的二氧化钛将在催化和光催化领域发挥良好的应用价值。在调研了国内外介孔材料研究领域的最新进展后,将合成具有晶型孔壁结构的介孔二氧化钛作为本论文的研究内容。本论文研究了H+/Ti摩尔比、薄层的厚度、热处理、掺杂试剂等合成条件对介孔二氧化钛的晶型和介孔结构的影响,同时考察了样品的光催化活性。根据研究的内容将本论文分为两个部分:在第一部分内容中,详细研究了H+/Ti摩尔比和薄层的厚度对介孔结构和孔壁晶型的影响。在介孔二氧化钛的合成中,质子酸起到了三种作用:首先,加强了无机物和有机模板剂之间的相互作用力增强了模板剂的结构导向作用;其次,抑制了钛源水解后产生的钛氧团簇的缩聚;最重要的是促进了锐钛矿和金红石晶核的形成。在酸浓度较低的情况下,钛氧团簇的缩聚较难得到控制;而在酸浓度较高的情况下,锐钛矿和金红石晶核形成的速度大大加快。制备时候形成均匀的薄层可以减少表面与体相之间的差异有利于形成长程有序的介孔结构。当H+/Ti=1.0时,制备的样品在经过673K煅烧后仍然保留了一定的有序度,而且骨架由锐钛矿和金红石组成双晶结构,结晶度也比较完全。在第二部分内容中,主要研究了一种利用纳米晶粒作组装单元制备具有高度晶化孔壁结构和高光催化活性的La3+掺杂介孔二氧化钛。La3+起到了两个重要作用:一、作为介孔结构的稳定剂,抑制了锐钛矿纳米晶的生长;二、通过提高量子产率,提高了光催化能力。在这个La3+掺杂体系中,光催化活性先随着掺杂量的增加而增加,掺杂量达到0.25at% La3+的介孔二氧化钛具有最高的光催化活性,在增加La3+掺杂量光催化活性反而降低。高度晶化的介孔二氧化钛材料比那些无序的二氧化钛纳米晶颗粒在催化方面有更多的应用,因为它们具有更大的比表面和均一的介孔孔道。