功能化TiO2纳米管阵列的制备及光催化应用研究

论文摘要

二氧化钛（TiO2）因其廉价、无毒无害、高效率、低成本、化学惰性和耐光腐蚀等优异性能,是目前最具有潜在应用价值的光催化剂。然而,它的禁带宽度较宽仅吸收到达地球表面太阳光5%的紫外光,同时TiO2还存在光生电子-空穴对高的复合率和对有机物吸附较差等缺点。目前报道用来解决上述问题主要有以下途径:离子掺杂或者贵金属沉积来提高光催化作用中光生载流子的分离和传输;半导体复合来提高系统的电荷分离及扩展TiO2光谱响应范围;表面疏水改性如表面分子印记提高TiO2对有机物的吸附能力。阳极氧化法制备的TiO2纳米管（TiO2NT）阵列具有比表面积大、管径可调、物理结构规整、化学性质稳定、回收方便、可多次循环利用等优点,引起了更为广泛的关注。本论文,我们采用:（1）三元体系I–III–VI2族的CuInS2半导体修饰的TiO2NT（CuInS2-TiO2NT）,拓宽了TiO2NT在可见光区的吸收范围;（2）分子印迹法对TiO2NT进行疏水改性,提高了TiO2NT对目标污染物9-蒽甲酸（9-AnCOOH）吸附能力的同时增强了其光催化活性;（3）通过原位电沉积与光还原技术,在TiO2NT表面制备大面积、均匀、连续、透明、高质量的石墨烯薄膜。具体研究内容如下:（1）CuInS2-TiO2NT的制备、表征和光催化性能研究:通过脉冲电压电沉积方法将CuInS2纳米粒子修饰到TiO2NT表面上。光电性能测试结果表明:与未修饰TiO2纳米管相比,CuInS2-TiO2 NT的光吸收能力明显增强;零电流电压由未修饰时的–0.62 V负移至–0.79 V,降低了光生电子-空穴对的复合率;300个循环条件下的CuInS2-TiO2NT光电流最高,光致发光强度最低,显示了极好的电子-空穴对的分离效果。160分钟后,CuInS2-TiO2NT可以完全去除2,4-D。（2）表面分子印迹改性TiO2NT的制备、表征、吸附性能和光催化性能研究:采用溶胶-凝胶法在TiO2NT表面构筑一层9-AnCOOH印迹薄膜层（MIF）。通过对比,分子印迹薄膜改性的TiO2NT（MIF-TiO2NT）表现出对目标污染物更好的吸附能力和更高的光催化降解效率。40分钟后,薄MIF-TiO2NT完全可去除9-AnCOOH。（3）石墨烯/TiO2NT复合物的制备、表征和光催化性能研究:由于电化学还原和光催化还原氧化石墨具有容易操作、成本低、环境友好等优点。本工作采用电化学还原和光还原共同作用,在TiO2NT表面原位沉积还原的氧化石墨烯薄膜。研究结果表明:复合物显示了高的电荷分离和传输性质,扩展了光谱吸收范围和强度的同时也提高了对9-AnCOOH的吸附能力。因此,相比于纯的TiO2NT,复合物显示了极好的光催化活性。沉积26圈的TiO2NT（0.24mg/L）吸附能力是未修饰的TiO2NT（0.04mg/L）的6倍,其去除效率（100%）也是纯的TiO2NT（50%）的2倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 2 的性质及结构'>1.2 TiO₂的性质及结构
• 2 的性质'>1.2.1 TiO₂的性质
• 2 的结构'>1.2.2 TiO₂的结构
• 2 纳米管阵列的背景和研究现状'>1.3 TiO₂纳米管阵列的背景和研究现状
• 2 纳米管阵列的背景'>1.3.1 TiO₂纳米管阵列的背景
• 2 纳米管阵列的研究现状'>1.3.2 TiO₂纳米管阵列的研究现状
• 2 纳米管阵列的特点和制备方法'>1.4 TiO₂纳米管阵列的特点和制备方法
• 2 纳米管阵列的特点'>1.4.1 TiO₂纳米管阵列的特点
• 2 纳米管的制备方法'>1.4.2 TiO₂纳米管的制备方法
• 2 纳米管阵列的表征手段'>1.5 TiO₂纳米管阵列的表征手段
• 1.5.1 电子显微镜
• 1.5.2 EDX 能谱
• 1.5.3 X 射线衍射
• 1.5.4 紫外-可见光谱
• 1.5.5 光致发光光谱
• 1.5.6 红外光谱
• 1.5.7 光电流谱
• 2 纳米管阵列的修饰改性'>1.6 TiO₂纳米管阵列的修饰改性
• 1.6.1 复合半导体
• 1.6.2 染料光敏化
• 1.6.3 贵金属沉积
• 1.6.4 金属掺杂
• 1.6.5 非金属掺杂
• 1.6.6 分子印迹法
• 2 纳米管阵列的应用领域'>1.7 TiO₂纳米管阵列的应用领域
• 1.7.1 传感器
• 1.7.2 光解水制氢
• 1.7.3 污水处理
• 1.7.4 治理环境有害气体
• 1.7.5 染料敏化太阳能电池
• 1.7.6 其他方面的应用
• 1.8 本论文研究的意义与内容
• 1.8.1 研究目的和意义
• 1.8.2 研究内容
• 2-TiO₂ 纳米管阵列的制备及光催化降解应用研究'>第2章 CuInS₂-TiO₂纳米管阵列的制备及光催化降解应用研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 化学药品和材料
• 2.2.2 预备实验
• 2 纳米管阵列的制备'>2.2.3 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2修饰的TiO₂ 纳米管阵列'>2.2.4 脉冲电沉积方法制备CuInS₂修饰的TiO₂纳米管阵列
• 2 纳米管阵列的表征'>2.2.5 TiO₂纳米管阵列的表征
• 2.2.6 光电化学性质测试
• 2.2.7 光电催化降解2,4-D
• 2.3 结果与讨论
• 2 纳米管阵列形貌的表征'>2.3.1 TiO₂纳米管阵列形貌的表征
• 2.3.2 XRD 光谱分析
• 2.3.3 紫外漫反射光谱分析
• 2-TiO₂ NT 的光电流测试'>2.3.4 CuInS₂-TiO₂ NT 的光电流测试
• 2.3.5 电流-电压表征
• 2.3.6 光致发光光谱分析
• 2.3.7 光电催化降解2,4-D
• 2.3.8 影响光电催化降解的因素
• 2-TiO₂ NT 的稳定性'>2.3.9 CuInS₂-TiO₂ NT 的稳定性
• 2.4 总结
• 2 纳米管阵列的制备、表征、吸附性能和光催化性能研究'>第3章 表面分子印迹改性 TiO₂纳米管阵列的制备、表征、吸附性能和光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 化学药品和材料
• 2 纳米管阵列的制备'>3.2.2 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2 纳米管阵列'>3.2.3 表面溶胶-凝胶方法制备MIF 层修饰的TiO₂纳米管阵列
• 2 纳米管阵列的表征'>3.2.4 TiO₂纳米管阵列的表征
• 3.2.5 9-AnCOOH 的吸附
• 3.2.6 光电化学性质测量
• 3.2.7 光电催化和光催化降解9-AnCOOH
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 红外吸收光谱分析
• 2 纳米管阵列的表面形貌'>3.3.2 TiO₂纳米管阵列的表面形貌
• 3.3.3 XRD 光谱分析
• 3.3.4 紫外漫反射光谱分析法
• 2 纳米管阵列的吸附特性'>3.3.5 TiO₂纳米管阵列的吸附特性
• 2 纳米管阵列的光电化学性质'>3.3.6 TiO₂纳米管阵列的光电化学性质
• 3.3.7 9-AnCOOH 的光催化降解
• 3.3.8 光电催化过程中MIF 层的稳定性
• 3.4 结论
• 2 纳米管阵列复合物的制备、表征和光催化性能研究'>第4章 石墨烯/TiO₂纳米管阵列复合物的制备、表征和光催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 化学药品和材料
• 2 纳米管阵列的制备'>4.2.2 TiO₂纳米管阵列的制备
• 2 纳米管阵列上电沉积石墨烯薄膜'>4.2.3 TiO₂纳米管阵列上电沉积石墨烯薄膜
• 4.2.4 光电化学性质测试
• 4.2.5 光催化降解9-AnCOOH
• 2 纳米管阵列的表征'>4.2.6 TiO₂纳米管阵列的表征
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 电化学合成石墨烯薄膜
• 4.3.2 石墨烯厚度的优化和形貌表征
• 4.3.3 XRD 光谱分析
• 4.3.4 光辅助还原石墨烯薄膜
• 4.3.5 石墨烯薄膜的光还原机理
• 4.3.6 紫外漫反射光谱
• 4.3.7 光电化学性质
• 2 纳米管阵列的吸附性能'>4.3.8 TiO₂纳米管阵列的吸附性能
• 4.3.9 9-AnCOOH 的降解
• 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