TiO2基纳米氧敏材料及复合光催化材料的制备、结构与性能研究

论文摘要

TiO2的晶型结构是影响其材料应用性能的关键因素,其中金红石相TiO2具有氧气敏感特性,而锐钛矿相TiO2则具有较高的光催化活性。迄今为止,金红石相TiO2的制备由于采用四价钛源,需经高温烧结（≥700℃）,所制得氧敏元件存在工作温度较高（≥250℃）、选择性、稳定性较差等缺点。此外,酞菁与卟啉配合物敏化TiO2的方法是提高锐钛矿相TiO2光催化效率的有效手段之一,也是目前研究的热点。这两类敏化剂在可见光区具有强吸收、理化性能稳定等优点,但其制备方法主要是利用已合成的TiO2纳米颗粒浸渍敏化剂而成,该制备方法由于敏化剂与基质（TiO2）之间耦合效果较差,导致敏化效果不理想。本文在氧敏材料方面,尝试以TiCl3为源物质,采用溶胶-凝胶法,经低温（400℃）烧结制成金红石相纳米掺杂氧敏材料,并测试其厚膜型元件的气敏性能,以期获得性能良好、接近于实用的半导体型氧敏传感材料。在有机敏化TiO2复合材料方面,分别利用两种合成方法,即一般溶胶-凝胶法与原位自组装一步合成法,合成三类有机敏化TiO2复合纳米材料,并采用多种物理、化学测试方法对其进行表征,在此基础上,选择有机染料为待降解物,以探讨其可见光光催化机理。主要结果如下: 一、以TiCl3为源物质,利用溶胶-凝胶法,经n型掺杂(V5+, Nb5+,Ta5+,Cr6+, Mo6+, W6+)、低温（400℃,1h）烧结即可获得金红石结构; 并筛选出掺杂量为18mol%的V5+/TiO2气敏材料,该材料制成的元件具有氧敏（100ppm）灵敏度（S=16）、工作温度（80℃）、响应特性、选择性、稳定性均较好; 探讨了掺杂过程相变机理。二、首次利用Zeta电位与变温磁化率等测试手段来表征表面带电特性,分析其与结构、气敏特性之间的关系,提出掺杂增敏与影响选择性机理。三、利用一般溶胶-凝胶法,制备轴向取代酞菁（TiOPc）/ TiO2纳米复合材料,当TiOPc:TiO2=1mol%时,TiOPc以单分子形式存在于TiO2表面,在可见光（15W,2h）照射下,罗丹明B染料光催化降解率达60%。四、首次采用原位自组装方法,制备了两类（CoPc/TiO2, ZnTPP/TiO2）纳米复合材料。发现配合物以单分子形式原位自组装于TiO2颗粒表面,通过轴向与基质TiO2之间存在较强化学耦合,能促使光生载流子快速分离与能量有效转移,使配合物与TiO2形成更有效协同光催化作用。在可见光（15W,2h）照射下,ZnTPP/TiO2催化剂对罗丹明B染料降解率达90%。

论文目录

第一章文献综述

2 的结构与应用'>1.1 TiO₂的结构与应用

2 基金红石相纳米氧敏传感器的研究开发现状'>1.2 TiO₂基金红石相纳米氧敏传感器的研究开发现状

1.2.1 氧敏传感器简介

1.2.2 气敏特性参数

1.2.3 氧敏传感器的种类及其特性

2 基纳米金红石相材料的制备方法'>1.2.4 TiO₂基纳米金红石相材料的制备方法

2基氧敏材料的增敏措施及气敏特性'>1.2.5 TiO₂基氧敏材料的增敏措施及气敏特性

1.2.6 氧敏机理

1.2.7 存在的问题、现有解决的措施与研究开发的发展前景

2基纳米锐钛矿相复合光催化材料的研究发展现状'>1.3 TiO₂基纳米锐钛矿相复合光催化材料的研究发展现状

1.3.1 光催化简介

1.3.2 光催化机理

2 光催化剂结构、特点及存在的问题'>1.3.3 纯TiO₂光催化剂结构、特点及存在的问题

1.3.4 提高光催化性能的主要途径

2 纳米光催化材料研究发展现状'>1.3.5 染料敏化TiO₂纳米光催化材料研究发展现状

2 的制备、结构及光催化特性'>1.3.6 酞菁及酞菁/TiO₂的制备、结构及光催化特性

2 的制备、结构及特性'>1.3.7 卟啉配合物的结构与卟啉/TiO₂的制备、结构及特性

1.3.8 有机/无机复合材料的原位合成工艺

1.4 选题依据与研究内容

2 基纳米金红石相的合成及氧敏材料的研究'>1.4.1 掺杂TiO₂基纳米金红石相的合成及氧敏材料的研究

2 纳米复合材料的研究'>1.4.2 酞菁（卟啉）敏化TiO₂纳米复合材料的研究

2基金红石相纳米粉体的制备及氧敏特性'>第二章 TiO₂基金红石相纳米粉体的制备及氧敏特性

2.1 实验部分

2.1.1 主要试剂与设备

2基纳米粉体的制备与氧敏特性测量'>2.1.2 TiO₂基纳米粉体的制备与氧敏特性测量

2.1.3 结构及特性表征

5+/TiO₂（M = V, Nb, Ta）纳米粉体的结构及特性'>2.2 M⁵⁺/TiO₂（M = V, Nb, Ta）纳米粉体的结构及特性

2 与 V5+/TiO₂ 纳米粉体的结构及特性'>2.2.1 纯TiO₂ 与 V5+/TiO₂纳米粉体的结构及特性

5+, Ta⁵⁺/TiO₂ 纳米粉体的结构及特性'>2.2.2 Nb⁵⁺, Ta⁵⁺/TiO₂纳米粉体的结构及特性

5+/TiO₂ 的气敏特性'>2.2.3 M⁵⁺/TiO₂的气敏特性

6+/TiO₂（M = Cr, Mo, W）纳米粉体的结构与氧敏特性'>2.3 M⁶⁺/TiO₂（M = Cr, Mo, W）纳米粉体的结构与氧敏特性

6+/TiO₂ 纳米粉体的结构及特性'>2.3.1 M⁶⁺/TiO₂纳米粉体的结构及特性

6+/TiO₂氧敏特性'>2.3.2 Mo⁶⁺/TiO₂氧敏特性

2.4 气敏机理

2.4.1 掺杂增敏机理

2.4.2 掺杂后选择性机理

2.5 小结

2基锐钛矿型染料敏化纳米复合材料的制备、结构与光催化特性'>第三章 TiO₂基锐钛矿型染料敏化纳米复合材料的制备、结构与光催化特性

3.1 实验部分

3.1.1 主要试剂与实验设备

2一般溶胶-凝胶方法的制备'>3.1.2 TiOPc/TiO₂一般溶胶-凝胶方法的制备

2 纳米复合材料的原位自组装一步合成'>3.1.3 有机敏化剂/TiO₂纳米复合材料的原位自组装一步合成

3.1.4 结构及特性表征

2 纳米复合材料的结构与光催化特性'>3.2 TiOPc/TiO₂纳米复合材料的结构与光催化特性

2复合材料的XRD 衍射谱'>3.2.1 TiOPc /TiO₂复合材料的XRD 衍射谱

3.2.2 紫外-可见光谱分析

3.2.3 红外光谱分析

3.2.4 荧光光谱

2 复合光催化剂光催化活性'>3.2.5 TiOPc /TiO₂复合光催化剂光催化活性

2 纳米复合材料的原位自组装合成及光催化特性'>3.3 CoPc/TiO₂纳米复合材料的原位自组装合成及光催化特性

2 复合材料的结构特性'>3.3.1 CoPc/TiO₂复合材料的结构特性

3.3.2 光催化活性及光催化敏化机理

2 纳米复合材料的原位合成与光催化'>3.4 卟啉/ TiO₂纳米复合材料的原位合成与光催化

2 纳米复合材料的结构与特性'>3.4.1 ZnTPP/TiO₂纳米复合材料的结构与特性

3.4.2 可见光光催化特性

3.5 小结

第四章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

在读期间已申请授权的发明专利与已发表录用的论文

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