TiO2纳米晶的表面活性剂修饰及其超亲水性薄膜的设计合成

论文摘要

近年来,TiO2纳米材料由于具有比表面积大、紫外光吸收性能好、氧化还原性强、化学性质稳定、无毒等独特的性能,在光电转换、多相光催化以及防雾自清洁材料等许多领域引起广泛关注。但是,纳米TiO2本身的强极性和高表面能使其不易分散在非极性介质中,且在极性介质中又易团聚,以至于在很大程度上影响其性能发挥以及应用。目前纳米TiO2薄膜主要依赖紫外光照来实现超亲水性,而从薄膜表面结构入手设计合成非紫外光照超亲水性纳米TiO2膜是非常有意义的。基于以上陈述,本论文开展了TiO2纳米晶的阴、阳离子表面活性剂修饰及进一步设计合成超亲水性薄膜的研究。本论文利用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（DBS）和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）分别对溶胶-水热法合成的TiO2纳米晶进行修饰,重点考察了表面修饰的适宜条件,并通过FT-IR、XRD、Raman、TEM、Uv-Vis、SPS等测试技术对样品进行表征,揭示表面修饰机制及对TiO2光学和光生电荷转移行为等的影响规律。此外,利用可见光下降解染料污染物来评价样品的光催化性能。结果表明:在适宜的pH范围和表面活性剂用量条件下,DBS和CTAB基团均能够较好地修饰在TiO2纳米粒子表面,以至于实现其由水相到有机相的转移。两种表面活性剂的修饰机制是不同的,DBS主要通过静电吸引作用实现在酸性条件下的修饰。而CTAB可通过静电作用和Br离子分别实现在碱性和酸性条件下的修饰。DBS和CTAB表面修饰后,TiO2纳米晶的光催化性能得到明显改善,这主要与表面修饰提高了TiO2光生载流子分离效率、吸附有机物能力及可见光利用率等有关。在表面活性剂修饰TiO2纳米晶基础上,进一步利用其通过浸渍-提拉过程制备了薄膜,主要通过SEM、Raman、Uv-Vis、CA等测试技术对薄膜的组成、表面微结构及润湿性能进行表征,重点探讨了薄膜表面微结构、组成与性能的关系。结果表明:在紫外光未辐照的条件下,利用表面活性剂修饰的TiO2所获得的薄膜样品即表现出了超亲水性,这主要与在薄膜表面形成了由TiO2纳米粒子团聚成的微米级隆起结构有关。而纳-微米复合隆起结构的形成主要归因于表面活性剂分子具有双亲性,增强了极性的TiO2纳米粒子与非极性的有机高分子之间的相互作用,以至于在成膜过程中TiO2纳米粒子能够随高分子链的收缩而聚集,最终形成微米级隆起结构。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 二氧化钛概述
• 1.2.1 二氧化钛的晶体结构
• 1.2.2 二氧化钛的能带结构
• 1.2.3 二氧化钛的光催化原理
• 1.2.4 二氧化钛的光致超亲水性原理
• 1.3 二氧化钛纳米材料及其应用
• 1.3.1 纳米材料
• 1.3.2 二氧化钛纳米材料特性
• 1.3.3 二氧化钛纳米材料的应用
• 1.4 二氧化钛纳米材料的改性
• 1.4.1 提高光电转换和光催化效率的方法
• 1.4.2 提高光化学稳定性的方法
• 1.4.3 提高分散性的方法
• 1.4.4 改善亲水性的方法
• 1.5 立题依据与研究思路
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验试剂和仪器设备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器和设备
• 2.2 样品的合成方案
• 2.2.1 表面活性剂修饰的二氧化钛纳米晶的合成方案
• 2.2.2 纳米二氧化钛薄膜的合成方案
• 2.3 材料表征方法
• 2.3.1 X-射线衍射
• 2.3.2 热重-差热分析
• 2.3.3 傅立叶变换红外光谱
• 2.3.4 拉曼光谱
• 2.3.5 紫外-可见光谱
• 2.3.6 扫描电子显微镜
• 2.3.7 透射电子显微镜
• 2.3.8 表面光电压谱
• 2.3.9 比表面积测量
• 2.4 样品性能评价
• 2.4.1 光催化性能评价方法
• 2.4.2 润湿性能评价方法
• 第3章 二氧化钛纳米晶的表面活性剂修饰
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 表面修饰的主要影响因素分析
• 3.3.2 表面修饰的适宜条件范围
• 3.3.3 表面修饰的验证
• 3.3.4 表面修饰机制分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 表面修饰对二氧化钛纳米晶光催化性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品的表征
• 4.2.2 样品的光催化性能评价
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 样品的晶相组成及微观形貌
• 4.3.2 样品的光谱行为
• 4.3.3 样品的光生电荷转移行为
• 4.3.4 样品的可见光催化性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 超亲水性纳米二氧化钛薄膜的设计合成
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 二氧化钛薄膜的制备
• 5.2.2 薄膜的表征
• 5.2.3 薄膜的亲水性能评价
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 样品的物质组成
• 5.3.2 样品的晶相组成
• 5.3.3 样品的光谱行为
• 5.3.4 样品的表面结构
• 5.3.5 样品表面结构的形成机制分析
• 5.3.6 样品的亲水性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文