Graphene-TiO2复合催化剂的制备及其光催化性能研究

论文摘要

光催化作为一种高级氧化技术,在环境污染控制领域引起了广泛关注。二氧化钛催化剂具有活性高、化学稳定、耐光腐蚀、价廉无毒等优点,被公认为最具前景的光催化材料。但是,TiO2光能利用率低限制了其实际应用。本文设计并制备了graphene-Ti02复合催化剂,借助graphene与TiO2形成的复合结构增强了光催化材料的光能利用效率,推动了TiO2复合催化剂向实用化发展。主要研究内容如下：以石墨氧化物和钛酸四丁酯为原料,首先在160℃温度下水热反应14小时合成初级产物,然后以氩气为保护气在600℃煅烧2小时合成了graphene-TiO2复合光催化剂。用透射电镜观察样品形貌,发现TiO2呈纳米颗粒状附着在薄膜状的石墨烯表面分析,X射线衍射分析结果表明TiO2为锐钛矿晶型,拉曼光谱及X射线电子能谱分析结果显示样品主要成分为TiO2和grapheneo以亚甲基蓝为目标物,graphene-TiO2的光催化降解能力是纳米TiO2颗粒的1.2倍,并显示了较好的稳定性。空穴在降解过程中起主要作用,碱性溶液更利于催化剂对亚甲基蓝的降解。为了进一步提高graphene-TiO2复合催化剂的光催化能力,用溶胶-凝胶法制备了具有反蛋白石结构的TiO2光子晶体,然后用电化学还原法制备石墨烯薄膜并负载在光子晶体上,得到graphene-TiO2反蛋白石结构的光子晶体光催化剂。该催化剂中的TiO2以锐钛矿形式存在,孔径约为185nm。以亚甲基蓝为目标物进行光催化反应,graphene-TiO2光子晶体光催化剂的光催化反应动力学常数是非光子晶体结构graphene-TiO2的1.8倍。光了晶体的禁带散射效应和慢光效应是产生较高光催化性能的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 国内外相关领域研究进展
• 2光催化技术'>1.1 TiO₂光催化技术
• 1.1.1 光催化技术概述
• 2光催化原理'>1.1.2 TiO₂光催化原理
• 2光催化剂的制备方法'>1.1.3 TiO₂光催化剂的制备方法
• 2光催化剂的应用'>1.1.4 TiO₂光催化剂的应用
• 1.1.5 提高光催化活性的途径
• 1.2 石墨烯概述
• 1.2.1 碳材料概述
• 1.2.2 石墨烯概述
• 1.2.3 石墨烯的性质
• 1.2.4 石墨烯的制备方法
• 1.2.5 石墨烯的应用
• 1.3 光子晶体
• 1.3.1 光子晶体概述
• 1.3.2 光子晶体特征
• 1.3.3 光子晶体的制备方法
• 1.3.4 光子晶体的应用
• 1.4 研究目的、内容及意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究意义
• 2 粉体催化剂的制备及其光催化性能'>2 Graphene-TiO₂粉体催化剂的制备及其光催化性能
• 2.1 实验材料与仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 表征方法
• 2.2.1 透射电镜分析
• 2.2.2 X射线衍射分析
• 2.2.3 拉曼光谱分析
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析
• 2.3 光催化反应实验
• 2.3.1 目标物的选择
• 2.3.2 光催化活性测试
• 2.4 催化剂的制备
• 2.4.1 石墨氧化物的制备
• 2催化剂的制备'>2.4.2 graphene-TiO₂催化剂的制备
• 2催化剂的制备'>2.4.3 TiO₂催化剂的制备
• 2.4.4 石墨烯的制备
• 2.5 表征结果与讨论
• 2.5.1 拉曼光谱表征结果与讨论
• 2.5.2 透射电镜表征结果与讨论
• 2.5.3 X射线衍射表征结果与讨论
• 2.5.4 X射线光电子能谱表征结果与讨论
• 2.6 光催化结果与讨论
• 2光催化活性基团研究'>2.6.1 graphene-TiO₂光催化活性基团研究
• 2与TiO₂光催化性能比较'>2.6.2 graphene-TiO₂与TiO₂光催化性能比较
• 2重复试验分析'>2.6.3 graphene-TiO₂重复试验分析
• 2光催化性能的影响'>2.6.4 pH值对graphene-TiO₂光催化性能的影响
• 2.7 本章小结
• 2光子晶体催化剂的制备与光催化性能'>3 Graphene-TiO₂光子晶体催化剂的制备与光催化性能
• 3.1 实验材料与实验仪器
• 3.1.1 实验材料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 表征方法
• 3.2.1 扫描电镜分析
• 3.2.2 X射线衍射分析
• 3.2.3 拉曼光谱分析
• 3.3 光催化反应实验
• 3.3.1 目标物的选择
• 3.3.2 光催化活性测试
• 2光子晶体复合催化剂的制备'>3.4 graphene-TiO₂光子晶体复合催化剂的制备
• 3.4.1 聚苯乙烯微球模板的制备
• 2反蛋白石光子晶体的制备'>3.4.2 TiO₂反蛋白石光子晶体的制备
• 3.4.3 石墨烯的制备
• 3.5 表征结果与讨论
• 3.5.1 扫描电镜表征结果与讨论
• 3.5.2 拉曼光谱表征结果与讨论
• 3.5.3 X射线衍射表征结果与讨论
• 3.6 光催化结果与讨论
• 3.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢