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功能化纳米二氧化钛多孔材料的制备、表征及性能研究

作 者: 吕彩霞
导 师: 周艺
学 校: 长沙理工大学
专 业: 物理化学
关键词: TiO2多孔膜 TiO2介孔材料 阳极氧化 Fe3+掺杂 Gd3+掺杂 光电转化效率 光催化活性
分类号: TB383.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


纳米TiO2是一种重要的无机功能材料,在染料敏化太阳能电池、光催化降解有机物、气敏传感器及光解水制氢等方面有着潜在的应用价值。纳米TiO2多孔材料因其具有大比表面积、高的表面活性及灵敏性等独特结构及优异性能,受到了科技界的广泛关注。因此对纳米TiO2多孔材料的制备及应用进行系统研究具有十分重要的意义。论文所做的工作分述如下:(1)采用射频磁控溅射法,以掺氟SnO2 (FTO)导电玻璃为基底沉积纯Ti膜,并将其作为阳极,在NH4F/乙二醇溶液中进行恒压电化学阳极氧化,制得具有三维网状结构的混晶纳米TiO2多孔膜。详细探讨了阳极氧化电压、电解液浓度及pH值等对纳米TiO2多孔膜表面形貌及光电转化性能的影响。研究表明,在最佳制备工艺条件下,即NH4F/乙二醇电解液中NH4F浓度为0.5 wt%,pH为5.0,阳极氧化电压为30 V时,可制得三维网状结构TiO2纳米多孔膜,其连通性强,孔隙率高,比表面积大,具有较强的光电转化效率。(2)以纯Ti片为阳极,在NH4F/乙二醇电解液中进行恒压电化学阳极氧化制得纳米TiO2多孔膜,采用二次阳极氧化对其形貌进行改善,以Fe3+对其进行掺杂改性,探讨了微观形貌及掺杂改性对材料光催化性能的影响。研究结果表明,二次阳极氧化后样品的表面无覆盖物,纳米孔的有序性有所改善,孔径分布均匀,表现出较强的光催化性能,光催化反应150 min后,样品对甲基橙降解率可达52.02%;Fe3+掺杂样品因掺入的Fe3+属于d轨道未充满的可变价离子,既可以俘获光生电子也可俘获光生空穴,加快了载流子的分离与传输,使Fe3+掺杂纳米TiO2多孔膜表现出优异的光催化性能,光催化反应150 min后,样品对甲基橙降解率可达60.02%。(3)以钛酸四正丁酯(Ti(OC4H9)4)为钛源,Gd(NO3)3为Gd源,多壁碳纳米管为模板,尿素为沉淀剂,可溶性淀粉为阻聚剂,采用模板法辅助均匀沉淀法自组装合成了Gd3+掺杂纳米TiO2介孔材料。研究结果表明,样品为孔径分布相对较窄(10.815.6nm)、比表面积较大的介孔材料。Gd掺杂并没有改变介孔材料中TiO2的晶型。Gd掺杂样品对可见光的响应普遍增强,并表现出较强的光催化性能。光催化结果表明,当Gd掺杂量为0.12 mol%时,光催化反应150 min后,样品对甲基橙降解率可达到97.3%。

全文目录


摘要  5-6ABSTRACT  6-10第一章 绪论  10-22  1.1 引言  10-11  1.2 纳米 TiO_2 的特性  11-16    1.2.1 纳米 TiO_2 的晶体结构  11    1.2.2 纳米 TiO_2 的基本物理特性  11-12    1.2.3 纳米 TiO_2 的光电性能  12-14    1.2.4 纳米 TiO_2 的改性  14-16  1.3 TiO_2 纳米多孔材料的研究进展  16-20    1.3.1 纳米 TiO_2 多孔材料的制备方法  16-19    1.3.2 纳米 TiO_2 多孔材料的应用  19-20  1.4 论文的主要研究内容及意义  20-21  1.5 课题来源  21-22第二章 FTO 基底上纳米 TiO_2 多孔膜材料的制备  22-38  2.1 引言  22-23  2.2 FTO 基底上纳米 TiO_2 多孔膜的制备及表征  23-25    2.2.1 实验原料与化学试剂  23    2.2.2 实验常用仪器设备  23    2.2.3 FTO 基底上纳米 TiO_2 多孔膜的制备  23-24    2.2.4 纳米 TiO_2 多孔膜的表征与分析  24-25  2.3 染料敏化太阳能电池的组装与光电性能测试  25-27    2.3.1 染料敏化太阳能电池的组装  25-26    2.3.2 染料敏化太阳能电池的光电性能测试  26-27  2.4 结果与讨论  27-37    2.4.1 生长机理分析  27-28    2.4.2 晶型结构分析  28-29    2.4.3 表面形貌分析  29-33    2.4.4 纳米 TiO_2 多孔膜的光电性能  33-36    2.4.5 交流阻抗分析  36-37  2.5 本章小结  37-38第三章 Ti 基底上纳米 TiO_2 多孔膜材料的制备  38-51  3.1 引言  38-39  3.2 Ti 基底上纳米 TiO_2 多孔材料的制备及表征  39-41    3.2.1 实验原料与化学试剂  39    3.2.2 实验常用仪器设备  39-40    3.2.3 Ti 基底上纳米 TiO_2 多孔膜的制备  40-41    3.2.4 纳米 TiO_2 多孔膜的表征与分析  41  3.3 纳米 TiO_2 多孔膜的光催化性能测试  41-42    3.3.1 甲基橙标准溶液的配制  41    3.3.2 纳米 TiO_2 多孔膜的光催化性能测试  41-42  3.4 结果与讨论  42-49    3.4.1 晶体结构分析  42-43    3.4.2 表面形貌分析  43-46    3.4.3 生长机理分析  46-47    3.4.4 交流阻抗分析  47-49    3.4.5 Ti 基底上 TiO_2 多孔膜的光催化性能分析  49  3.5 本章小结  49-51第四章 Gd~(3+)掺杂纳米 TiO_2 介孔材料的制备  51-62  4.1 引言  51-52  4.2 Gd~(3+)掺杂纳米 TiO_2 介孔材料的制备及表征  52-54    4.2.1 实验原料与化学试剂  52    4.2.2 实验常用仪器设备  52-53    4.2.3 Gd~(3+)掺杂纳米 TiO_2 介孔材料的制备  53    4.2.4 Gd~(3+)掺杂纳米 TiO_2 介孔材料的表征与分析  53-54  4.3 Gd~(3+)掺杂纳米 TiO_2 介孔材料的光催化性能测试  54  4.4 结果与讨论  54-60    4.4.1 晶体结构分析  54-56    4.4.2 表面形貌分析  56-57    4.4.3 N_2 吸附-脱附等温曲线分析  57-58    4.4.4 热重-差热分析  58-59    4.4.5 紫外-可见吸收光谱分析  59    4.4.6 TiO_2 介孔材料的光催化性能分析  59-60  4.5 本章小结  60-62结论与展望  62-64参考文献  64-73致谢  73-74附录 A(攻读硕士学位期间发表论文目录)  74-75附录 B  75-76详细摘要  76-85

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族金属元素及其化合物 > 钛副族(ⅣB族金属元素) > 钛Ti
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