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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%。
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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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