基于TiO_2的分级杂化纳米光催化剂的构筑与光催化性能研究

【摘要】随着现代工业的迅猛发展,能源短缺和环境污染问题日益加剧,开发新能源和环境保护技术则显得尤为重要。光催化技术作为一项新型的能源与环保技术,被认为是解决能源和环境问题的最为有效的途径之一。二氧化钛(Ti02)作为最重要的一种光催化材料,具有比表面积大、光催化能力强、化学惰性、低成本和长期稳定性等特点,因而备受研究者关注。然而,Ti02光催化材料目前仍存在许多不足,Ti02禁带宽度为3.2eV,只能吸收紫外光(仅约太阳光的3-5%)参与光催化反应,对太阳光的利用率低。此外,Ti02的光生载流子复合速率较快,导致其量子效率较低,很大程度限制了其在实际应用。因此,如何通过对Ti02光催化材料尺寸、形貌、构造和结构调控或与其它材料复合构筑新型Ti02分级杂化光催化剂,有效调控其禁带宽度,实现对太阳光最大程度的利用,降低光生载流子复合,提高光催化量子效率,并提高其光催化性能则是该领域研究的关键。本文针对上述研究背景,设计构筑了@titanate/Au@TiO2和GO@Ti02两类基于Ti02的分级杂化纳米光催化剂,尝试通过钛酸盐和贵金属Au与Ti02耦合和氧化石墨烯与Ti02耦合,调控Ti02其能带结构,加快光生载流子的迁移速率,抑制光生载流子的复合,进而提高其光催化活性,具体研究内容归纳如下：本文首先采用Stober法制备出尺寸均匀Si02纳米微球,采用溶胶凝胶法在最外层包覆Ti02壳层,通过水热辅助的刻蚀方法,制备了钛酸中空纳米微球,然后利用溶胶浸渍法将Au纳米颗粒负载于中空钛酸纳米微球表面,最后利用溶凝胶法包覆Ti02壳层,通过煅烧处理获得了titanate-Au-TiO2分级杂化纳米光催化剂(@titanate/Au@TiO2),并对其物相、尺寸、形貌、比表面和孔结构、能级特性和光催化特性进行了系统研究,并以甲基橙(MO)为模型反应对其光催化性能进行了评价。研究结果表明,@titanate/Au@TiO2具有独特的空心三明治结构,表面具有介孔孔道,贵金属Au均匀分布于钛酸钠和Ti02夹层之间,对甲基橙(MO)具有优异的光催化降解性能。其光催化性能的提升主要是由于@titanate/Au@TiO2空心微球构造可以作为一个微反应器,使得MO分子可以自由扩散进出微反应器,提高其与光催化剂的充分接触,MO在片层状的titanate和多孔的Ti02壳层之间流通,与催化剂充分接触,进而提高光催化活性。此外,titanate、Au和Ti02三者杂化导致光催化剂的能级有效匹配,有利于载流子的迁移,抑制了电子-空穴对的复合,从而提高了光催化活性。本文第二部分工作采用Stober法制备出尺寸均匀SiIO2纳米微球,并在其表面包覆氧化石墨烯(GO),通过羟基修饰后,采用溶胶凝胶法在最外层包覆Ti02壳层,通过水热辅助的刻蚀方法制备了大比表面积的@GO@titanate分级杂化纳米光催化剂。对@GO@titanate分级杂化纳米光催化剂在N2保护下500-C煅烧,得到GO@Ti02(C)级杂化纳米光催化剂；酸性条件下对@GO@titanate分级杂化纳米光催化剂进行水热处理,得到GO@TiO2(H)分级杂化纳米光催化剂。对GO@TiO2(H)分级杂化的物相、尺寸、形貌、比表面和孔结构特性进行了系统的表征分析,并以甲基橙(MO)、甲基蓝(MB)和罗丹明(RhB)降解为模型反应,测试了不同纳米光催化剂的光催化剂性能。研究结果表明,GO@TiO2(H)在降解MO,MB和RhB是均表现出良好的催化活性,完全降解MB和RhB分别只需15和30min。这主要是由于GO与TiO2之间的强耦合作用的结果,作为电子受体,GO耦合后有利于界面电荷转移,并抑制电子-空穴重组。此外,共轭染料分子的大芳香结构可以通过π-π键吸附到GO片上,有利于提高反应速率。同时,GO@TiO2(H)纳米光催化剂中TiO2的颗粒较小(<10nm),禁带变宽,导带和价带能级更加分立,提高了电子/空穴迁移催化剂表面的速率,减少了电子-空穴对在催化剂内部复合使得,TiO2的氧化还原能力增强,从而极大地提高其催化活性。
【作者】刘丽霞；
【导师】张军；
【作者基本信息】内蒙古大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】TiO2；分级杂化结构；石墨烯；光催化；

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