有序介观结构TiO2及复合体的控制合成与性能研究

论文摘要

属于纳米材料范畴的介孔材料由于其特殊的结构性质在催化、分离、离子交换等领域具有很多潜在的应用。但是，传统的介孔材料由于具有较小的介孔孔径（＜7nm），从而制约了介孔材料在催化、大分子吸附、分离等领域的进一步应用。为拓展介孔材料的应用领域，合成具有大孔径（＞7nm）的介孔材料具有重要意义。 本文对有序介观结构TiO2及复合体的控制合成与性能进行了研究，首次设计合成出大孔径的介孔TiO2材料，研究发现通过改变合成参数可实现介孔TiO2的孔径在一定范围内可调控。在制备孔径为14nm介孔TiO2的基础上，加入锆源后，采用一步合成的方法设计合成了一系列介孔TiO2-ZrO2复合体材料。研究了介孔TiO2和介孔TiO2-ZrO2复合体材料的光催化和亲水性能，并对其合成机理、光催化机理、亲水性机理作了深入探讨。 以Ti（OBun）4水解原位释放的丁醇为助表面活性剂，以三嵌段聚合物P123为结构导向剂，在非水介质中采用溶剂蒸发诱导自组装的方法首次设计合成了大孔径的介孔TiO2并对其进行了表征，结果表明所得材料具有大孔径（14nm）、窄孔径分布、二维六方结构，其晶型为锐钛矿相，BET比表面积为115m2g-1，孔容为0.219cm3g-1。这是迄今文献报道的孔径最大的介孔TiO2材料。 在嵌段聚合物P123-Ti（OBun）4-EtOH-HCl非水体系中，通过调控无机前驱体Ti（OBun）4的量，即可改变原位生成BunOH的量并实现材料孔径在一定范围内的可调控，本文设计合成了孔径可控（8.3-14nm）的一系列透明介孔TiO2薄膜材料，其合成机理可归纳为以下几点：（ⅰ）原位生成的丁醇起到助表面活性剂的作用；（ⅱ）非水体系的合成条件提供了较大的表面活性剂有效堆积参数；（ⅲ）Ti（OBun）4具有较长的线性和较大的立体构型；（ⅳ）大的水解速率／抑制速率（H／p）比。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多孔材料简介
• 1.2.1 微孔材料
• 1.2.2 介孔材料
• 1.2.3 大孔材料
• 1.3 介孔复合体简介
• 1.4 非硅基介孔材料的合成与机理
• 1.4.1 非硅基介孔材料的合成策略
• 1.4.2 非硅基介孔材料的研究进展
• 1.4.3 非硅基介孔材料的合成机理
• 1.5 介孔材料的孔径调控
• 1.5.1 调节表面活性剂（长链季铵盐或中性有机胺）碳链长度
• 1.5.2 添加有机助剂（三甲基苯,长链胺等）
• 1.5.3 合成后水热处理
• 1.5.4 以新型表面活性剂为模板
• 2及其复合体材料在光、电领域的应用'>1.6 介孔TiO₂及其复合体材料在光、电领域的应用
• 1.6.1 光催化
• 1.6.2 光诱导超亲水性
• 1.6.3 染料敏化太阳能电池
• 1.7 本课题的主要研究工作
• 第2章 实验材料、合成策略和表征方法
• 2.1 实验试剂及实验仪器
• 2.1.1 实验试剂及原料
• 2.1.2 基片处理
• 2.1.3 实验仪器及设备
• 2.2 合成策略
• 2.3 表征方法及原理
• 2.3.1 小角X射线衍射
• 2.3.2 广角X射线衍射
• 2.3.3 热重-差示扫描量热
• 2.3.4 傅立叶变换红外光谱
• 2.3.5 拉曼光谱
• 2.3.6 紫外-可见光谱
• 2.3.7 接触角测量仪
• 2.3.8 椭圆偏振仪
• 2.3.9 氮气吸附-脱附分析
• 2.3.10 原子力显微镜
• 2.3.11 扫描电子显微镜
• 2.3.12 透射电子显微镜
• 2薄膜的设计合成与表征'>第3章 大孔径介孔TiO₂薄膜的设计合成与表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 样品的合成
• 3.2.2 表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 热重-差示扫描量热（TG-DSC）分析
• 3.3.2 傅立叶变换红外（FT-IR）光谱分析
• 3.3.3 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.3.4 拉曼（Raman）光谱分析
• 3.3.5 原子力显微镜（AFM）分析
• 3.3.6 扫描电镜（SEM）分析
• 2吸附-脱附分析'>3.3.7 N₂吸附-脱附分析
• 3.4 本章小结
• 2介孔材料的结构调控及合成机制研究'>第4章 有序TiO₂介孔材料的结构调控及合成机制研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品的合成
• 4.2.2 表征方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 4.3.2 拉曼（Raman）光谱分析
• 4.3.3 原子力显微镜（AFM）分析
• 2吸附-脱附分析'>4.3.4 N₂吸附-脱附分析
• 4.3.5 椭圆偏振仪（Ellipsometer）分析
• 4.3.6 电镜分析
• 4.4 合成机理
• 4.5 本章小结
• 2的光催化及亲水性研究'>第5章 介孔TiO₂的光催化及亲水性研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 2的合成'>5.2.1 介孔TiO₂的合成
• 2的表征'>5.2.2 介孔TiO₂的表征
• 2光催化降解RhB测试'>5.2.3 介孔TiO₂光催化降解RhB测试
• 2薄膜亲水性测试'>5.2.4 介孔TiO₂薄膜亲水性测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 5.3.2 拉曼（Raman）光谱分析
• 5.3.3 傅立叶变换红外（FT-IR）光谱分析
• 2的光催化性能研究'>5.3.4 介孔TiO₂的光催化性能研究
• 2的亲水性研究'>5.3.5 介孔TiO₂的亲水性研究
• 5.4 本章小结
• 2-ZrO₂复合体的设计合成及光催化、亲水性研究'>第6章 介孔TiO₂-ZrO₂复合体的设计合成及光催化、亲水性研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 2-ZrO₂复合体的合成'>6.2.1 介孔TiO₂-ZrO₂复合体的合成
• 2-ZrO₂复合体的表征'>6.2.2 介孔TiO₂-ZrO₂复合体的表征
• 2-ZrO₂复合体光催化降解RhB测试'>6.2.3 介孔TiO₂-ZrO₂复合体光催化降解RhB测试
• 2-ZrO₂复合体薄膜亲水性测试'>6.2.4 介孔TiO₂-ZrO₂复合体薄膜亲水性测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 6.3.2 拉曼（Raman）光谱分析
• 6.3.3 傅立叶变换红外（FT-IR）光谱分析
• 2吸附-脱附分析'>6.3.4 N₂吸附-脱附分析
• 6.3.5 透射电镜（TEM）分析
• 2-ZrO₂复合体的光催化研究及其机制探讨'>6.3.6 介孔TiO₂-ZrO₂复合体的光催化研究及其机制探讨
• 2-ZrO₂复合体薄膜的亲水性研究及其机制探讨'>6.3.7 介孔TiO₂-ZrO₂复合体薄膜的亲水性研究及其机制探讨
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢