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化石能源枯竭与环境污染是人类发展面临的两个重大难题。由于光催化材料具有解决能源和环境问题的潜在应用前景,因此,成为研究的热点之一。光催化材料研究主要集中在提高光催化活性和增强可见光响应上。研究结果表明光催化材料的介孔化是提高光催化效率的有效方法之一。本文对Ti基介孔光催化材料的合成和性能进行了研究。探索了介孔光催化材料(包括TiO2和多元金属氧化物)的合成方法;研究了利用磷酸化提高TiO2介孔结构热稳定性;及利用金属离子掺杂和染料敏化拓宽光吸收等工作。
本文的主要研究内容如下:
1、介孔TiO2合成及影响光催化性能因素的研究。应用溶剂蒸发自组装的方法,合成了介孔TiO2粉末和薄膜;并在不同焙烧温度(400℃、500℃、600℃)下考察介孔结构变化对光催化降解乙醛性能的影响。结果表明介孔TiO2材料的光催化活性明显高于商业P25(TiO2,Degussa公司)。400℃焙烧样品的光催化活性最高,其具有6.0 nm的窄的孔径分布和117 m2g-1的大的比表面积。通过光催化活性结果的分析,发现介孔TiO2粉末和薄膜的活性主要受其比表面积和结晶性的共同影响。
2、磷酸化介孔TiO2的合成及光催化性能研究。介孔TiO2在合成过程中存在着热稳定性差的问题。在通常的焙烧温度下(400℃),介孔结构已经出现了部分坍塌。为了提高介孔TiO2的热稳定性、增大比表面积获得更高的光催化活性,本文合成了磷酸化的介孔TiO2。实验结果证明引入磷元素在介孔TiO2的骨架中起到了抑制锐钛矿晶粒长大的作用,从而提高介孔TiO2的比表面积和热稳定性。在400℃焙烧条件下,合成的磷酸化TiO2中磷以无定形Ti(HPO4)2的形式存在于锐钛矿的晶界间。磷的引入对磷酸化TiO2的比表面积有重要影响。当磷酸化TiO2中磷的含量小于5mol％时,样品的比表面积显著增加;当磷含量超过10mol％时,比表面积变化不明显。磷对介孔二氧化钛的光催化性能起到两个作用;一是增大比表面积提高光催化活性;二是在介孔结构中形成无定形磷酸钛,捕获光生的电子和空穴,阻碍内部光生的电子和空穴传递到表面,降低光催化活性。实验表明介孔TiO2中P含量在1mol％左右时,光催化活性最高。
3、铬掺杂介孔TiO2的合成及光催化性能研究。为了有效利用可见光,在介孔TiO2中引入Cr3+离子,将介孔TiO2的光吸收拓展到可见光区。表征结果表明Cr3+杂质能够增加介孔TiO2的可见光吸收强度。随着掺杂量的增大,光吸收逐渐强度。本实验合成的铬掺杂介孔TiO2的比表面积约为117m2g-1、孔径分布在8nm左右。实验表明,在可见光下照射下(λ＞440 nm),Cr3+离子掺杂样品对乙醛的降解能力显著地大于未掺杂样品。当使用λ＞440nm的光照射时,0.1mol％掺杂的样品降解乙醛的能力最强,当使用λ＞460 nm的光照射时,1mol％掺杂的样品活性最高。
4、有序介孔TiO2薄膜的制备及光催化性能研究。介孔TiO2是一种良好的染料载体,利用染料敏化可以拓宽介孔TiO2的光吸收范围,提高光催化活性。本文通过溶剂蒸发自组装方法和Dip-Coating技术制备了介孔TiO2薄膜。小角X衍射和透射电镜表征结果表明该薄膜样品呈有序介孔结构。介孔TiO2薄膜负载N3染料后,具有明显的可见光吸收特征,并且能够在可见光下光催化降解异丙醇。与普通TiO2薄膜相比,介孔TiO2薄膜比表面积更大,可以吸附多的染料,催化反应点更多,因此,试验中N3敏化的介孔TiO2薄膜表现了较高的光催化活性。
5、介孔ATiO3(A=Sr,Ba)光催化材料的合成和光催化性能研究。多元金属氧化物介孔材料的合成一直是介孔材料合成的难点之一。本研究成功合成了介孔SrTiO3和介孔BaTiO3。得到了大比表面积、窄孔径分布和高结晶性的介孔SrTiO3和BaTiO3的粉末样品。其中,介孔SrTiO3的比表面积为206 m2g-1,介孔BaTiO3为104 m2g-1。我们考察了介孔SrTiO3和BaTiO3在气相降解异丙醇光催化实验中光催化活性。结果表明介孔光催化材料的活性比固相合成样品分别高31和12倍。
本文研究了介孔二氧化钛光催化材料活性影响因素,证明了磷元素和铬元素分别对提高介孔二氧化钛的比表面积和拓展光吸收范围具有明显作用;有序介孔二氧化钛在染料敏化光催化应用上表现出了明显的优势。本研究使用过量金属盐作为造孔剂成功合成了介孔多元金属氧化物光催化材料SrTiO3和BaTiO3,为多元金属氧化物介孔材料的合成提供了一种新的思路。