基于TiO_2纳米复合/掺杂材料的制备及光催化性能研究

【摘要】随着环境污染的加剧以及人们对建设绿色美好家园的向往,急需找到效率高、价格低廉且具有工业应用前景的污染物处理技术。在各种先进的氧化技术中,基于半导体光催化剂实施的光催化技术被认为是一种最具工业化应用前景的污染物处理技术。半导体Ti02由于其强氧化能力、相对低廉的价格、性能稳定以及无二次污染等特性,因而被视为是最具竞争力的光催化材料。目前,研究较多的是基于Ti02的悬浮体系,但该体系下存在着催化剂分离难、回收再利用过程复杂、后处理费用高等难题。构建以Ti02薄膜为光催化剂的非均相体系在解决上述问题方面显示了明显的优势。在此基础上,通过制备新型的薄膜材料可以达到有效抑制载流子复合、增强催化剂对可见光响应并最终提高薄膜光催化降解效率的目的。与基于Ti02薄膜的光催化技术相比,光电催化技术展现出更高的催化降解能力,这是由于外加电场的存在能够有效的提高电子-空穴的利用率,进一步加速污染物的降解。鉴于此,本论文对基于Ti02薄膜的设计和制备进行探索,提出了将薄膜用作工作电极,构建光电催化体系的新思路,对Ti02薄膜电极的光电催化性能进行了广泛而深入的研究。本论文的创新点和具体研究内容包含以下几个方面：1.以采用Hummers法制备的氧化石墨烯(GO)作为石墨烯(还原氧化石墨烯,RGO)的前驱体,将GO/TiO2复合物通过手术刀-刮涂法制备成膜,经还原得到RGO/TiO2复合薄膜。创新性的提出以RGO/TiO2为工作电极,通过构建光电催化体系进行光催化降解的新思路,重点研究RGO对Ti02薄膜光电催化性能的影响。为了优化RGO/TiO2的催化性能,对实验中GO/TiO2的还原方法和RGO的用量进行调控,获得最优的工艺条件。实验结果表明：后处理方式为先利用水合肼还原再煅烧、RGO/TiO2=1.0wt%时所得薄膜的催化性能最佳。与纯Ti02薄膜电极相比,RGO/TiO2复合膜电极在降解RhodamineB(RhB)和Acidorange-Ⅱ(AO-Ⅱ)的过程中其速率分别提高了4倍和5倍。这主要是由于RGO能够显著促进电子和空穴的分离、减小膜电极内电荷的转移阻力。此外,对RhB的降解实验表明,RGO/TiO2复合膜在经10次循环实验后仍保持很高的活性,说明该薄膜具有良好的稳定性。2.采用溶胶-凝胶法合成碘掺杂TiO2,创新性的提出以碘掺杂Ti02为原料构建具有可见光响应的Ti02薄膜的新工艺,并首次研究其在光电催化领域的应用。光电催化结果表明：在掺杂剂的用量位于1.0-5.0mo1%范围内时,2.5mo1%碘掺杂Ti02薄膜电极显示了最高的光电催化性能,与纯Ti02电极相比,其效率约提升了90%。催化性能提升的原因为：(1)薄膜中碘的存在使催化剂对400-650nm范围内可见光的吸收明显增强,提高了对太阳光谱的吸收利用率；(2)碘的引入使催化剂的比表面积及其表面的羟基的数量增加,从而为底物的吸附和降解提供了有利条件。此外,碘掺杂Ti02薄膜电极在对有机物1-萘酚(1-NP)的降解过程中也表现出很高的催化活性,说明碘掺杂Ti02薄膜无论是对染料大分子还是对有机小分子都具有很强的降解能力。3.提出了利用一步水热法合成Ag/TiO2纳米线的新方法,通过控制水热的温度,成功实现水热过程中纳米线的形成和Ag纳米颗粒在其表面的均匀沉积。通过对所得样品的表征发现,所得纳米线的直径在50-300nm之间,长度约为几个微米；表面的Ag颗粒分布均匀,无明显聚集,粒径在5-10nm之间。将所得纳米线用于光催化降解实验,重点考查后处理过程、AgN03的起始加入量与催化剂性能之间的关系并作出合理解释。研究发现：在洗涤液的pH=1、Ag/TiO2=6mol%、煅烧温度为600℃时所得催化剂表现出最优的催化活性,其反应速率比纯Ti02高出了2倍之多。这主要是由于Ti02表面沉积的Ag物种可以作为电子接受体而接收来自Ti02导带的电子,降低了光生电子-空穴复合的可能；此外,Ag/TiO2所具有的锐钛矿TiO2(B)结构有利于光生电子由锐钛矿Ti02转移到TiO2(B),从而降低了载流子的复合。循环实验表明,在经过5次降解实验后催化剂仍保持很高活性,说明所得Ag/TiO2具有良好的稳定性。
【作者】王东亭；
【导师】陶霞；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程与技术，2012，博士
【关键词】RGO/TiO2；碘掺杂TiO2；薄膜；光电催化；染料降解；Ag/TiO2；水热法；光催化；

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