介孔二氧化钛的制备与性能研究

论文摘要

介孔材料以其孔道大小均匀、有序排列且孔径连续可调、巨大的比表面积等独有的特点以及在催化、吸附、分离、纳米材料制备及光、电、磁等诸多领域潜在的应用价值,而迅速引起国际材料科学界的极大关注,成为新材料领域的一个研究热点。介孔TiO2具有较大表面积和孔容积,使其具有普通TiO2粉体无法比拟的优良吸附性能和光吸收性能,是一种很有应用潜力的高活性光催化材料。本文采用水热法、以钛酸四正丁酯为钛源,十八烷胺为模板剂制备了锐钛矿介孔TiO2。研究了水热温度、水热时间、煅烧温度等因素对样品介孔结构的影响。并采用XRD、TEM、N2等温吸附-脱附测试、DTA-TGA、紫外-可见漫反射等手段对样品进行表征。实验结果表明,当水热温度150℃,水热反应时间为20h,煅烧温度为450℃时,所制备的介孔TiO2具有最大的比表面积。该条件下所得样品的比表面积为201.3m2·g-1:平均孔径为4.3nm,孔径分布较窄:孔容积为0.259cm3/g。其对甲基橙的光降解反应速率常数为0.096 min-1,高于P25。采用溶剂热法,以钛酸丁酯为前驱体,十八烷胺为模板剂制备了Fe（Ⅲ）掺杂TiO2介孔材料。采用TEM,XRD,N2等温吸附-脱附测试,TGA-DTA,IR,XPS,UV-vis漫反射等手段对样品进行了表征。结果表明,Fe掺杂TiO2介孔材料的蠕虫孔道结构实际上是有TiO2纳米晶排列。Fe掺杂量为1.0 at.%的样品的最可几孔径为3.9nm,孔容积为0.147cm3/g,比表面积为151.2 m2/g。Fe掺杂介孔TiO2对甲基橙的光催化降解性能受到Fe含量的影响。当Fe掺杂浓度为1.0 at.%时,样品具有最高的光催化活性,其对甲基橙的光降解反应速率常数为0.13 min-1,是未掺杂样品的1.86倍。Fe掺杂增强介孔TiO2光催化活性的原因是Fe掺杂不仅可以减小TiO2的禁带宽度,而且掺杂Fe3+可以抑制TiO2光生电子和空穴的复合,提高TiO2的量子效率。另外Fe掺杂也可减小TiO2的晶粒尺寸,有利于提高TiO2的光催化活性。但过量的Fe掺杂反而会降低介孔TiO2的光催化活性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 纳米材料及其特性
• 1.1.1 表面与界面效应
• 1.1.2 小尺寸效应
• 1.1.3 量子尺寸效应
• 1.1.4 宏观量子隧道效应
• 2的结构与光化学特性'>1.2 纳米TiO₂的结构与光化学特性
• 2的晶体结构'>1.2.1 TiO₂的晶体结构
• 2晶体的光化学特性'>1.2.2 纳米TiO₂晶体的光化学特性
• 1.3 介孔材料及其合成机理
• 1.3.1 介孔材料的定义和结构特点
• 1.3.2 介孔材料的分类
• 1.3.3 介孔材料合成机理
• 2的合成方法'>1.4 介孔TiO₂的合成方法
• 1.4.1 溶胶-凝胶法（Sol-gel method）
• 1.4.2 EISA法
• 1.4.3 水热法（Hydrothermal method）
• 1.4.4 溶剂热法（Solvothermal method）
• 1.4.5 超声化学法（Sonochemical method）
• 1.4.6 其它方法
• 2光催化材料的改性'>1.5 TiO₂光催化材料的改性
• 1.5.1 杂质元素掺杂
• 1.5.2 半导体复合
• 1.5.3 贵金属沉积
• 1.5.4 表面光敏化
• 1.5.5 载体担载
• 1.6 二氧化钛纳米材料的应用
• 1.6.1 在光催化方面的应用
• 1.6.2 二氧化钛抗菌剂的应用
• 1.6.3 在染料敏化太阳能电池方面的研究进展
• 1.6.4 其他方面的应用
• 1.7 本文研究的目的和意义
• 第二章 实验试剂与仪器
• 2.1 原料及化学试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 表征测试方法
• 2.3.1 X-射线衍射分析
• 2.3.2 透射电子显微镜分析
• 2吸附-解吸附曲线、比表面及孔径分布分析'>2.3.3 N₂吸附-解吸附曲线、比表面及孔径分布分析
• 2.3.4 紫外-可见漫反射光谱
• 2.3.5 差热-热重分析
• 2.3.6 红外光谱分析
• 2.3.7 X射线光电子能谱分析（XPS）
• 2.3.8 紫外-可见分光光度分析
• 2的水热法制备与光催化性能研究'>第三章 介孔TiO₂的水热法制备与光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 2的水热法制备'>3.2.1 介孔TiO₂的水热法制备
• 3.2.2 样品表征
• 2的光催化性能评价'>3.2.3 介孔TiO₂的光催化性能评价
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水热温度对样品介孔结构的影响
• 3.3.2 水热时间对样品介孔结构的影响
• 3.3.3 煅烧温度对样品介孔结构的影响
• 3.3.4 煅烧温度对样品光吸收性能的影响
• 2的光催化性能研究'>3.3.5 介孔TiO₂的光催化性能研究
• 3.4 本章小结
• 2的溶剂热法合成与表征'>第四章 Fe（Ⅲ）掺杂介孔TiO₂的溶剂热法合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 溶剂热法的基本原理
• 4.3 实验部分
• 2的溶剂热法制备'>4.3.1 Fe掺杂介孔TiO₂的溶剂热法制备
• 4.3.2 样品表征
• 2的光催化性能评价'>4.3.3 Fe掺杂介孔TiO₂的光催化性能评价
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 样品热学性质分析
• 4.4.2 Fe掺杂对样品结晶状态的影响
• 4.4.3 煅烧温度对样品结晶状态和介孔结构的影响
• 2的形貌分析'>4.4.4 Fe掺杂介孔TiO₂的形貌分析
• 2的比表面积和孔径分析'>4.4.5 Fe掺杂介孔TiO₂的比表面积和孔径分析
• 4.4.6 Fe存在形态的研究
• 4.4.7 样品的光吸收性能分析
• 2的光催化活性研究'>4.4.8 Fe掺杂介孔TiO₂的光催化活性研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 技术经济分析
• 5.1 产品性能对比
• 5.2 主要技术经济指标
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢