新型功能化TiO2纳米管复合材料的制备与光催化应用研究

论文摘要

纳米技术被誉为21世纪最有发展前途的新技术之一。光催化活性是半导体纳米材料非常独特的性能,引起了科技界和产业界的高度重视。随着全球环保意识的深化,用光催化技术消除有机污染物已经引起科技界的广泛关注。应用阳极氧化法制备出的TiO2纳米管阵列作为光催化剂,具有活性高、比表面积大、化学性质稳定、无毒等优点,是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。然而,TiO2禁带宽度较宽（3.2eV）,电导率较低,这使得在光催化应用中对太阳光的利用率较低,不能有效传递光生载流子,从而影响光催化降解速率。为了解决以上难题,需对TiO2纳米管阵列进行掺杂和修饰,使其功能化,拓宽其在可见光区的吸收范围,延长光生载流子的寿命。本论文以功能化Ti02纳米管阵列-环境应用为主线,以提高Ti02纳米管阵列的光催化活性生为研究重点,以有机污染物和重金属离子的消减为目标,成功制备了PbS/TiO2> Cu2O/TiO2和Au/TiO2纳米管阵列复合材料,研究其作为高效光催化剂的应用。具体内容如下：（1）PbS/TiO2复合材料的制备及其光催化降解甲基橙性能研究。应用阳极氧化法制得管径约为100nm,长约4μm的TiO2纳米管阵列,以Pb（NO3）2为铅源,L-半胱氨酸为硫源,利用脉冲电沉积法,制备了PbS修饰的TiO2纳米管阵列复合材料。然后,利用复合材料在不同的条件下做了光催化降解甲基橙的实验研究。结果表明,PbS被成功地耦合到纳米管阵列中,半导体材料PbS的掺入对纳米管阵列的形貌没什么影响,但显著提高了光催化活性。（2）新型Cu2O纳米网/TiO2纳米管阵列复合材料制备及光催化降解对硝基酚（PNP）研究。首次应用脉冲电沉积技术将单质Cu负载在TiO2纳米管阵列上,而后在碱性溶液中将单质Cu电氧化为Cu2O,得到了超细Cu2O纳米网修饰的TiO2纳米管阵列。研究显示,Cu2O/TiO2网状物对PNP的光催化降解效率为1.97μg/min cm2,远大于未修饰的TiO2纳米管阵列光催化降解效率（0.85μg/min cm2）,从而实现了对难以降解有机污染物对硝基酚在模拟太阳光下的高效光催化降解。如此高的光催化活性归因于Cu2O纳米丝网修饰TiO2纳米管阵列后拓宽了在可见区的吸收范围,以及Cu2O/TiO2p-n结界面的光生电势差有效加速了光生载流子的传递速率。（3）新型“管套管”构型Au/TiO2复合材料的制备及其对Cr（Ⅵ）和酸性橙7共解毒作用研究。通过简单便捷的脉冲电化学沉积技术在TiO2纳米管的管内嵌入了一层由紧致细小的Au纳米颗粒组成的Au纳米管,构建出了一种新颖特别的半导体异质结构纳米材料。由于TiO2与Au相接触的边界层在光照下具有产生电势差的特性,从而能促进光生电子-空穴对的分离,提高电子传递速率,在实际应用中提高光催化反应的效率。光催化实验结果表明,与单个系统相比较,混合系统中Cr（Ⅵ）的光催化还原效率和A07的光催化氧化降解效率得到了明显的同步增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 2的晶体结构及性能'>1.2 TiO₂的晶体结构及性能
• 2的晶体结构'>1.2.1 TiO₂的晶体结构
• 2的性能'>1.2.2 TiO₂的性能
• 2纳米管的制备方法'>1.3 TiO₂纳米管的制备方法
• 1.3.1 水热法
• 1.3.2 模板法
• 1.3.3 电化学阳极氧化法
• 1.3.4 冷冻干燥法
• 2纳米管阵列的修饰改性'>1.4 TiO₂纳米管阵列的修饰改性
• 1.4.1 掺杂金属离子
• 1.4.2 掺杂非金属元素
• 1.4.3 贵金属沉积
• 1.4.4 半导体耦合
• 1.4.5 染料光敏化处理
• 2纳米管阵列的应用'>1.5 TiO₂纳米管阵列的应用
• 1.5.1 光解水制氢
• 1.5.2 染料敏化太阳能电池
• 1.5.3 光（电）催化降解污染物
• 1.5.4 传感器
• 1.5.5 气体净化
• 1.5.6 其他领域
• 1.6 光催化反应
• 2光催化反应的原理'>1.6.1 TiO₂光催化反应的原理
• 2光催化技术的应用'>1.6.2 TiO₂光催化技术的应用
• 2光催化技术存在的问题'>1.6.3 TiO₂光催化技术存在的问题
• 1.7 课题选择的意义和内容
• 2复合材料的制备及其光催化降解甲基橙性能研究'>第2章 PbS/TiO₂复合材料的制备及其光催化降解甲基橙性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂与仪器
• 2纳米管阵列的制备'>2.2.2 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2纳米管阵列复合材料的制备'>2.2.3 PbS/TiO₂纳米管阵列复合材料的制备
• 2.2.4 光电流测试
• 2.2.5 复合材料光催化降解甲基橙
• 2.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列形貌表征'>2.3.1 PbS/TiO₂纳米管阵列形貌表征
• 2.3.2 紫外可见漫反射分析
• 2纳米管阵列光电流的比较'>2.3.3 修饰前后TiO₂纳米管阵列光电流的比较
• 2.3.4 光催化降解甲基橙的研究
• 2.4 小结
• 2O纳米网/TiO₂纳米管阵列复合材料制备及光催化降解对硝基酚'>第3章 新型Cu₂O纳米网/TiO₂纳米管阵列复合材料制备及光催化降解对硝基酚
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂与仪器
• 2O纳米网/TiO₂纳米管阵列复合材料制备'>3.2.2 Cu₂O纳米网/TiO₂纳米管阵列复合材料制备
• 3.2.3 光催化降解对硝基酚实验
• 3.3 结果与讨论
• 2O纳米网/TiO₂纳米管阵列的形貌、结构表征'>3.3.1 Cu₂O纳米网/TiO₂纳米管阵列的形貌、结构表征
• 2O纳米网/TiO₂纳米管阵列光催化降解对硝基酚'>3.3.2 Cu₂O纳米网/TiO₂纳米管阵列光催化降解对硝基酚
• 3.4 小结
• 2复合材料的制备及其对Cr（Ⅵ）和 Acid Orange 7共解毒作用研究'>第4章 新型“管套管”构型Au/TiO₂复合材料的制备及其对Cr（Ⅵ）和 Acid Orange 7共解毒作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂与仪器
• 2纳米管阵列复合材料的制备'>4.2.2 Au/TiO₂纳米管阵列复合材料的制备
• 4.2.3 光电性能测试和光催化实验
• 4.3 结果与讨论
• 2纳米管阵列形貌表征'>4.3.1 Au/TiO₂纳米管阵列形貌表征
• 4.3.2 光电性能测试
• 2纳米管阵列对Cr（Ⅵ）和AO7光催化共解毒作用研究'>4.3.3 Au/TiO₂纳米管阵列对Cr（Ⅵ）和AO7光催化共解毒作用研究
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢