SiC泡沫陶瓷表面负载共掺杂纳米TiO_2包覆层性能的研究

【摘要】SiC泡沫陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、低热导率及低热膨胀系数等优异的物理性能，并具有独特的相互贯通的三维网络结构，这些特点使其成为光催化剂载体的最佳候选材料之一。将Al-Si共掺杂改性的纳米TiO2包覆层负载在SiC泡沫陶瓷表面，不仅能够很好解决光催化剂的固定化问题，实现可循环利用；还能利用SiC泡沫陶瓷特殊的三维网络结构，提高比表面积，从而提高TiO2的光催化降解效率。本文的研究内容主要分为三大部分：第一部分中利用有机泡沫浸渍法制备了高孔隙率、高抗压强度的SiC泡沫陶瓷。研究了制备工艺过程中聚氨酯骨架预处理条件、磷酸二氢铝用量、挂浆工艺、烧结温度等因素对制品性能的影响，并制定了合理的烧成制度。同时，研究了烧结助剂在烧结过程中发生的变化及所起的作用，并分析了所制备的SiC泡沫陶瓷机械性能提高的机理。实验结果表明，通过本工艺所制备的SiC泡沫陶瓷挂浆均匀、机械强度高并且三维孔洞之间相互贯通，其抗压强度达到1.08MPa，孔隙率为75%。在第二部分中，研究了溶胶-凝胶法制备Al-Si共掺杂纳米TiO2光催化剂溶胶过程中水浴温度、pH值、冰醋酸用量等因素的影响，从而得到了最佳的制备条件。讨论了Al-Si共掺杂对纳米TiO2光催化剂晶型转变温度、晶粒尺寸、比表面积、颗粒大小、表面形貌以及光吸收性能的影响。另外，还利用紫外光下光催化降解亚甲基蓝实验研究了Al-Si共掺杂对纳米TiO2光催化剂光催化性能的影响，并分析了Al-Si共掺杂对各种性质影响的机理。通过大量的实验以及表征分析，得到以下结论：(1)Al-Si共掺杂能够显著提高纳米TiO2光催化剂由锐钛矿相向金红石相转变的温度到1200℃,同时减小晶粒尺寸增大比表面积；Al-Si共掺杂改性使TiO2的光吸收边发生蓝移，禁带宽度增大；在紫外光下光催化降解亚甲基蓝的实验结果表明当掺杂的摩尔比例为Al3+/Ti4+=0.1且Si4+/Ti4+=0.1时，光降解亚甲基蓝效率最高。(2)Al-Si共掺杂能够提高纳米TiO2光催化剂晶型转变温度和减小颗粒尺寸的机理是因为Al3+与Si4+容易进入TiO2晶格形成了固溶体，阻碍了相变的发生和晶粒的长大。在第三部分中，将改性TiO2光催化剂利用浸浆工艺制备成包覆层负载在SiC泡沫陶瓷表面，讨论了最佳的浸浆包覆的次数。分析了包覆层的元素组成，并对比了负载对纳米TiO2光催化剂光催化性能的影响，同时分析了相应的原因。实验结果表明利用SiC泡沫陶瓷作为Al-Si共掺杂纳米TiO2包覆层的负载基体，其独特的相互贯通的三维网络结构极大的提高了TiO2的光催化降解性能。
【作者】吴冬晨；
【导师】周竹发；
【作者基本信息】苏州大学，材料学，2014，硕士
【关键词】SiC泡沫陶瓷；溶胶-凝胶法；二氧化钛；共掺杂；热稳定性；光催化；

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