二氧化钛/碳纳米复合材料的制备及其光催化性能研究

【摘要】半导体光催化是解决日益严重的环境污染问题的一项重要技术。在众多的半导体光催化剂中,二氧化钛以其高的化学稳定性、低价、无毒以及高的光催化效率而被大量地研究。但它的实际应用却受到其低量子效应和宽禁带宽度的影响,致使其具有高的光生电子空穴复合率以及无法吸收可见光的缺陷。近年来,为了延长二氧化钛中光生电子空穴对的寿命以及窄化其禁带宽度,很多有效的方法被提出来,以期对二氧化钛的结构和性能有所改进。其中,通过碳与二氧化钛的协同作用,用碳材料来复合二氧化钛是一种有效地增强其光催化活性的方法。我们的主要工作分为以下部分：(1)利用不同有机物作为碳源,通过一步碳化法制备出carbon/TiO2的复合纳米颗粒。由于有机物的脱水碳化作用,碳在二氧化钛的颗粒间以及晶格中都会存在。从拉曼光谱中可以知道,不同的有机物制得的carbon/TiO2复合物中碳含量是不同的。在紫外-可见光照射下降解罗丹明B的实验结果表明,carbon/TiO2复合物的光催化性能主要是受碳在复合结构中的状态、掺杂量以及二氧化钛中表面氧空位含量的影响。(2)利用水热法,我们制备出了carbon/TiO2的复合纳米颗粒,并通过在空气中高温下刻蚀的方法来调节其表面碳含量。各种表征结果表明,这种复合纳米颗粒的平均尺寸大约为50nm,它是由结晶的二氧化钛和非晶碳组成,碳处于二氧化钛的晶粒间,其中,二氧化钛是锐钛矿和金红石的复合相。降解罗丹明B的结果表明,这种复合颗粒的催化活性(特别是在400℃下处理的样品)高于纯二氧化钛。碳对复合纳米颗粒的光催化增强主要是通过碳与二氧化钛的协同作用影响的,比如抑制光生电子空穴对的复合、提高吸附性能以及增强对光的吸收等。(3)通过二次水热法,我们制备出了TiO2/carbon@TiO2核壳结构的复合纳米颗粒。通过透射电镜图可以看出,这种颗粒的尺寸大约为50-100nm,其核结构是TiO2/carbon复合颗粒,壳结构是结晶的二氧化钛。通过拉曼和热重分析证明了该颗粒中碳的存在,XRD和拉曼分析表明了该核壳结构的颗粒中的二氧化钛为纯锐钛矿相,并且其结晶度经二次水热后明显有所提高。罗丹明B的光降解实验结果表明,该TiO2/carbon@TiO2核壳结构的复合纳米颗粒的光催化活性比TiO2/carbon的复合颗粒以及纯二氧化钛都要高。这主要是由于该复合颗粒在二次水热处理之后,其壳层的二氧化钛拥有更高的结晶度和表面氧空位浓度,核层中的碳也能通过抑制光生电子空穴对的复合和吸收更多的光来增强其光催化活性。
【作者】张国志；
【导师】谢二庆；
【作者基本信息】兰州大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】二氧化钛；碳；光催化；罗丹明B；纳米复合颗粒；核壳结构；

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