TiO2纳米空盒多级结构的制备及改性与其光催化性能研究

• 作 者: 张成江
• 出 处: 中南民族大学
• 发表日期: 2020年08期
• 关键词: 纳米空盒子 多级结构 掺杂 纳米复合 光催化活性

在过去的几十年中,半导体由于在解决环境污染和能源危机方面的潜力,在空气净化、污染处理、CO₂转化和水裂解制氢等方面的应用而成为一个重要的研究课题。众多光催化剂中,TiO₂的研究最为广泛,因为它具有无毒性和高化学稳定性等。然而,TiO₂对可见光的利用率低并且吸收了非常小一部分的太阳光,光生电子-空穴对极易复合以及低光量子效率缺点阻碍了其广泛的实际应用。利用太阳能产生的大量可见光,发展可见光驱动的TiO₂具有重要研究意义。针对上述问题,我们主要从材料的微观形貌、高能晶面、元素掺杂和带隙结构等切入,探究了中空结构、掺杂能级和能级复合等对TiO₂纳米材料的光催化活性和效率的影响。本论文利用溶剂热法和煅烧法制备了多级TiO₂纳米空盒子、N,S@TiO₂纳米空盒子和BiOCl@TiO₂纳米空盒子复合材料,并研究了TiO₂纳米空盒子材料经过负载掺杂改性后的微观形貌、晶型结构,尺寸大小和掺杂（负载量）量等对其光催化活性的影响,然后进行了可能的光催化机理分析。主要研究内容如下:1.使用钛酸四丁酯（TBT）作为钛源,第一步通过醇热法制备出前驱体二氟氧钛（TiOF₂）,第二步通过调控不同比例的醇酸高温醇热制备多级结构TiO₂纳米空盒子材料,并研究了在氙灯模拟太阳光下（λ>420 nm）降解罗丹明B（RhB）和亚甲基蓝（MB）来进行光催化活性评价,得到了催化效果最好的催化剂S1,在可见光下,催化剂S1的降解速率常数分别是S7降解RhB的2.04倍和降解MB的1.65倍,表现出优异可见光光催化活性。并对这些样品催化剂进行表征及活性物种的检测,也推测了可能的机理。2.使用钛酸四丁酯作为钛源,甲硫氨酸为修饰剂或掺杂剂,乙二醇为溶剂,水热法制备N,S掺杂TiO₂纳米空盒子（NS@T200）,研究结果表明,N,S元素掺杂致使TiO₂空盒状结构多片状化的形成,类似空心立方花片状,附属的超多极薄超细的纳米片,提供了许多的反应位点,N,S形成的掺杂能级促进光生电子-空穴对的有效分离,从而提高了光催化性能。还研究了样品催化剂光催化降解RhB的性能,最好的0.25NS@T200样品在90分钟内就能完全降解目标污染物,其降解速率常数是T200的3.17倍,表现出较高较好的可见光光催化活性。3.使用钛酸四丁酯与五水硝酸铋为原料,采用水热法和煅烧法制备了BiOCl@TiO₂纳米空盒子复合材料。BiOCl纳米片可以有效改善TiO₂的光电化学性质,BiOCl与TiO₂纳米空盒子之间形成的纳米结构和异质结,能级复合的驱动力使得光电子-空穴对有效分离,从而提高了光催化效果。用RhB在可见光照射下进行的光催化活性测试,活性最好的15wt降解速率常数是0wt的2.76倍,BiOCl@TiO₂纳米空盒子复合材料的光催化活性明显高于单独使用的TiO₂（0wt）和TiOF₂组分。