低温下的纳米二氧化钛的制备及其光催化性能研究

低温下的纳米二氧化钛的制备及其光催化性能研究纳米二氧化钛由于其在太阳能电池,涂料,化妆品,以及环境净化上的卓越表现,被广泛地关注。

本论文旨在探索二氧化钛在低温非水相中制备的方法,从而避免了传统水相制备以及高温锻烧(锻烧温度大于400℃)过程中引起的颗粒较大,比表面积减小等不利于光催化性能的缺点,低能耗地制备出具有较小颗粒及大比表面的二氧化钛光催化剂,又进一步通过对其进行掺杂改性和表面修饰,得到具有更多特殊功能的二氧化钛纳米材料。

首先,对二氧化钛的结构、光催化机理、改性的方法、制备工艺和应用进行了全面地综述;然后,详细地阐述了在低温情况下制备介孔二氧化钛、氮掺杂二氧化钛、高活性金红石二氧化钛、多元掺杂二氧化钛、及银/二氧化钛复合材料的方法,并采用多种测试方法以及光催化降解,抗菌等性能测试对制备的二氧化钛结构、形貌、形成机理、在降解有机物和抗菌上的应用进行了深入的研究,并且考察了其对环境毒性的影响。

本论文围绕制备出廉价低耗能且光催化活性高的二氧化钛光催化剂为主题,进行了以下几个方面的研究:1、选取廉价的四氯化钛作为钛源,利用非离子表面活性剂聚乙二醇(PEG)与非水溶剂正丁醇之间的相互作用,采取非水溶胶—凝胶法制备出了介孔二氧化钛,并且考察了其在紫外光照下的光催化活性及使用寿命,并详细分析和探讨其反应机理。

2、采用水热法制备不同掺杂量的氮掺杂介孔二氧化钛光催化剂,并且分析其掺杂机理。

通过对不同氮掺杂量的二氧化钛样品的光催化活性的研究,发现氮的掺杂量会影响样品的可见光催化活性,样品的光催化活性会随着氮的掺杂量的增加而增大,而过量的氮又会重新抑制其光催化活性。

3、使用表面活性剂作为模板在低温酸性条件下制备了的二氧化钛纳米棒超
结构。

经过研究发现:醇和水的比例的变化会影响反应温度的变化,而异丙醇会随着其比例的增加而降低反应的温度。

表面活性剂在混合溶剂中的形貌会影响纳米棒组装形貌,当异丙醇:水的比例为2:1时,可以组装出直径大约为200 nm的花状结构。

这种再组装的金红石相纳米棒在模拟太阳光下,表现出了对甲基橙较为优越的光催化活性,其活性比
P25要高出34%。

4、采用盐酸半胱氨酸掺杂的方式制备出多元掺杂的二氧化钛。

半胱氨酸同时可以提供碳,氮和硫三种非金属元素,而且还能影响样品的晶相结构。

在实验过程中,采用异丙醇作为反应的溶剂,可以避免水解反应带来的反应物颗粒过大、比表面减小的问题。

与市售的P25和无掺杂二氧化钛相比,所得的多元掺杂二氧化钛具有更高的光催化活性。

而这种活性的增强主要是由于禁带宽度变窄、混晶协同作用和高的比表面积这三方面的因素。

5、Ag/TiO2复合材料是利用先化学沉积后光还原的方法制备的,同时,考察了这种复合材料的光降解性能,研究发现两种材料的复合使其光催化性能明显优于TiO2本身,并且这种光降解性能会受到银粒子含量的影响。

实验证明,当银含量为2%时的Ag/TiO2复合材料具有最好的催化效果,其对亚甲基蓝的光降解率达到75%。

金属银并没有进入TiO2的晶格当中,在光的照射下,银与二氧化钛之间形成肖特基势垒,使得光生电子发生定向移动,使得复合材料的光催化效率得到提升。

在抗菌性能测试中,光对Ag/TiO2复合材料的抗菌效果影响不大,而在一定范围内,银粒子的含量越高抗菌性越好。

6、采用Langmuir-Hinshelwood模型来描述TiO2悬浮体系光催化降解反应,动力学模型表示为:r=-dc/dt=kKc/(1+Kc)
速率常数
为:k=(1-0.0388c0)(0.01571+0.02828e-pH/3.546)(3.19802x10-5M2-0.00241M+ 0.04367)。

7、TiO2和N-TiO2会在一定程度上抑制斜生栅藻的生长,这是由于光催化反应产生的活性氧基团,会氧化斜生栅藻的细胞,但斜生栅藻还是能较良好地进行了生长繁殖,这表明粉体本身对斜生栅藻的毒性是很低的。

由此可以推断TiO2和N-TiO2光催化剂在实际应用中不会对生态环境造成二次污染。