论文摘要
钛硅纳米复合氧化物由于具有优异的催化活性、光催化活性、光致亲水性、及光电转换等特性,已成为近年催化、光催化、太阳能电池、光学集成等领域的研究热点。但是到目前为止,导致钛硅纳米复合氧化物产生催化、光催化活性的具体结构并不十分清楚。因此有必要对钛硅纳米复合氧化物的结构及形成机理做出全面深入细致的研究,为进一步控制钛硅纳米复合氧化物的结构和性质、探明钛硅纳米复合氧化物的催化/光催化机理,加深其在太阳能电池等高科技领域的应用提供可靠的依据。为此,本论文首次设计了三种溶胶凝胶工艺路线,并制备出三种结构的钛硅纳米复合氧化物粉体,钛包硅、硅包钛和钛硅均匀混合结构（按溶胶凝胶形成的复合结构分）,其中SiO2含量为10-40 mol%,热处理温度为773-1273 K,然后利用SEM、HRTEM、EDS、XRD及XPS等表征方法,首次以比较的方式,系统的分析了不同制备工艺路线制备的钛硅纳米复合氧化物的表面结构和微结构随SiO2含量和热处理温度的变化。在本实验范围内研究发现Ti/Si原子的热扩散是导致钛硅纳米复合氧化物结构发生变化的主要原因,这主要表现在:（1）随热处理温度升高,硅原子向复合氧化物粉体表面富集,钛原子向粉体颗粒内部聚积。这导致溶胶凝胶过程中形成的三种不同复合结构的钛硅纳米复合氧化物粉体颗粒在热处理过程中均趋向形成新的壳（富硅富氧）-核（富钛）结构,从而导致粉体颗粒表面向下4-5 nm可能为一双层结构:即第一层为富氧层,第二层为SiOx/TiOy（x,y＜2）层。表面多余的氧可能来自化学吸附水。第二层出现的钛和硅的低价氧化物可能是由Ti4+和Si4+的热扩散及再分配引起的,而这种热扩散可能与Ti4+和Si4+之间的强相互作用有关。（2）三种复合结构中的SiO2均有效的抑制了纳米晶TiO2晶粒增长和相变（锐钛相向金红石相）,而且这种抑制作用不但与SiO2含量和热处理温度有关,而且与复合结构有关。在相同条件下,与其它两个结构相比,均匀混合结构中纳米晶TiO2粒径最小,金红石相含量最低。（3）纳米晶TiO2中可能存在相当数量的Si原子和氧空位,而且Si原子作为间隙阳离子和置换阳离子可能同时存在于TiO2晶格中引起晶格畸变。温度相同,SiO2含量增加可导致纳米晶TiO2晶界原子排列混乱、晶格畸变增大、晶格缺陷增多。SiO2含量相同,热处理温度升高可导致锐钛相纳米晶TiO2晶胞的四方性（即c0/a0）增大。复合物中锐钛相纳米晶TiO2的晶胞体积总体小于纯纳米晶TiO2的晶胞体积。复合结构不同,晶胞体积随温度的变化趋势不同。（4）可能的TiO2晶粒增长机理:复合物中锐钛相纳米晶TiO2的粒径、粒径分布及晶粒分散程度很可能取决于TiO2晶格应变的变化,而这种应变的变化是主要由Si原子进入纳米晶TiO2晶格引起的。Si原子作为置换阳离子进入锐钛相纳米晶TiO2中并形成Ti—O—Si链可导致纳米晶TiO2晶胞体积缩小,并进一步抑制TiO2晶粒的增长。当复合物中纳米晶TiO2晶格应变或晶胞体积随热处理温度变化较小时,纳米晶TiO2粒径最小。（5）可能的TiO2相变机理:随热处理温度升高,复合物中锐钛相纳米晶TiO2可能存在一个特定的晶胞体积值（0.1360 nm3）或晶格应变诱导纳米晶TiO2由锐钛相向金红石相的相变。
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摘要ABSTRACT第一章 文献综述1.1 引言1.1.1 纳米材料基本概念1.1.2 纳米材料的性质1.1.3 纳米半导体的特殊性质1.2 纳米晶材料的结构缺陷和扩散1.2.1 纳米晶材料的结构1.2.2 纳米晶材料的结构缺陷1.2.3 纳米晶材料中的扩散及溶解度1.2.4 纳米半导体的结构缺陷与光催化性质1.3 纳米氧化钛与纳米氧化硅1.3.1 钛氧化物的种类1.3.2 二氧化钛的性质与结构1.3.3 纳米二氧化钛的应用研究进展及存在问题1.3.4 纳米二氧化钛的光催化机理及存在问题1.3.5 纳米二氧化硅1.4 钛硅纳米复合氧化物研究进展1.4.1 钛硅纳米复合氧化物的应用1.4.2 钛硅纳米复合氧化物的复合结构及形态1.4.3 钛硅纳米复合氧化物的制备方法1.4.4 钛硅纳米复合氧化物的表征1.5 钛硅纳米复合氧化物研究中存在的问题及课题的选择1.5.1 目前存在的问题1.5.2 课题的选择2、SiO2和钛硅纳米复合氧化物的制备与表征'>第二章 TiO2、SiO2和钛硅纳米复合氧化物的制备与表征2.1 溶胶-凝胶法制备原理2.1.1 溶胶-凝胶反应过程2.1.2.溶胶-凝胶反应过程中的结构变化2.2 实验设备及原料2.2.1 主要实验仪器2.2.2 实验药品2粉体'>2.3 溶胶凝胶法制备纳米TiO2粉体2.3.1 原理及实验条件的确定2.3.2.实验装置及过程2粉体'>2.4 溶胶凝胶法制备SiO2粉体2.4.1 原理及实验条件的确定2.4.2 实验装置及过程2.5 溶胶凝胶法制备钛硅纳米复合氧化物2.5.1 钛硅纳米复合氧化物制备条件的确定2.5.2 不同结构的钛硅纳米复合氧化物的制备装置及工艺2.5.3 不同结构钛硅纳米复合氧化物的命名及原料配比2.6 钛硅纳米复合氧化物的表征及数据处理2.6.1 X-射线衍射分析（XRD）及数据处理2.6.2 X-射线光电子能谱（XPS）分析及数据处理2.6.3 高分辨透射电镜（HRTEM）分析及数据处理2.6.4 X射线能谱分析（EDS）及数据处理2.6.5 扫描电镜（SEM）分析2粉体制备及影响TiO2与SiO2复合的因素'>第三章 影响纳米TiO2粉体制备及影响TiO2与SiO2复合的因素2制备过程中的影响因素'>3.1 TIO2制备过程中的影响因素3.1.1 水的用量3.1.2 HCl的用量3.1.3 乙醇的用量2晶粒粒径及相变的影响'>3.2 热处理温度对TiO2晶粒粒径及相变的影响2与TiO2复合的因素'>3.3 影响SiO2与TiO2复合的因素3.3.1 PH值和乙醇用量3.3.2 水的用量3.3.3 催化剂种类3.3.4 钛酸四丁酯水解缩聚反应速度3.4 本章小节第四章 钛硅纳米复合氧化物形貌结构分析4.1 SEM形貌分析4.2 HRTEM形貌及微结构分析2/773K钛硅复合氧化物HRTEM分析'>4.2.1 10mol%SiO2/773K钛硅复合氧化物HRTEM分析2含量对纳米晶TiO2形貌及分散性的影响'>4.2.2 SiO2含量对纳米晶TiO2形貌及分散性的影响2晶区EDS元素组成分析'>4.2.3 锐钛相TiO2晶区EDS元素组成分析2形貌及分散性的影响'>4.2.4 热处理温度对纳米晶TiO2形貌及分散性的影响4.3 本章小节2的粒径与晶型的控制'>第五章 钛硅纳米复合氧化物中纳米晶TiO2的粒径与晶型的控制2含量对晶粒粒径的影响'>5.1 773K热处理温度下SiO2含量对晶粒粒径的影响2含量对晶粒粒径的影响'>5.2 1273K热处理温度下SiO2含量对晶粒粒径的影响2含量对晶型的影响'>5.3 1273K热处理温度下SiO2含量对晶型的影响5.4 本章小节2微结构参数的变化'>第六章 钛硅纳米复合氧化物中纳米晶TiO2微结构参数的变化2的微结构变化'>6.1 773K下纳米晶TiO2的微结构变化2微结构变化'>6.2 1273K下纳米晶TiO2微结构变化2的微结构随热处理温度的变化'>6.3 纳米晶TiO2的微结构随热处理温度的变化6.4 本章小节2晶粒增长及相转变机理'>第七章 复合氧化物中纳米晶TiO2晶粒增长及相转变机理2的晶粒增长机理'>7.1 纳米晶TiO2的晶粒增长机理2相变机理'>7.2 纳米晶TiO2相变机理7.3 本章小结第八章 钛硅纳米复合氧化物表面化学结构分析8.1 钛硅纳米复合氧化物表面元素组成与电荷较正8.2 钛硅纳米复合氧化物表面各元素含量8.3 表面Ti元素化学价态分析8.4 表面Si元素化学价态分析8.5 表面O元素种类分析8.6 表面存在低价Ti/Si氧化物机理分析8.7 本章小节第九章 论文总结与展望9.1 本论文主要内容9.2 本论文主要结论9.3 课题展望与建议参考文献致谢论文发表情况
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不同结构TiO2-SiO2纳米复合氧化物的制备、表征和比较性研究
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