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离子掺杂型和氧化物及贵金属负载型TiO_2纳米线(带)的制备与表征

作　者: 刘扬
导　师: 李汉平；嵇天浩
学　校: 北京工商大学
专　业: 环境科学
关键词: 水热法 TiO2纳米带离子掺杂氧化物负载贵金属沉积可见光催化
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

TiO₂作为一种高效的环境功能材料在污染物光催化降解、光电转换新型能源开发等诸多领域具有巨大的应用潜质。但是传统的TiO₂光催化技术却存在诸多不足,影响了其实用性。本文通过创新而高效的途径制备出新型TiO₂纳米带以及对其进行了稀土金属离子、钙钛矿型钛酸盐-钛酸锶（钡）包裹、非金属氮掺杂、贵金属银负载等方式的性能改性,以期从根本上提高其光电转换效率和光催化性能并增强其实用性能。系统而深入的研究了各种改性的TiO₂纳米带及其复合体系的最优化合成方法、产品性能与表征、光催化活性评价。1.在不同浓度的NaOH溶液中,不同反应时间和温度的水热条件下与TiO₂纳米带发生反应,研究了生成产物的结构和形貌。多种测试结果表明,在强碱条件下水热处理TiO₂纳米带很容易生成具有层状结构的钛酸盐纳米带,并对NaOH溶液的浓度、水热反应时间和温度对产物的形貌的影响和机理进行了研究。2.采用各种测试手段研究了水热处理具有层状结构的两种钛酸盐转化为锐钛矿型TiO₂纳米带的制备过程、难易程度和相转化机理。在特定的条件内,钛酸钠纳米带很难完全转化为锐钛矿型TiO₂,若升高反应温度并延长反应时间,则可以制得纯的锐钛矿型TiO₂,但纳米带形貌被严重破坏,并确定了最优转化条件和方法。还讨论了钛酸钠纳米带或钛酸纳米带转化为锐钛矿型TiO₂纳米带的相转化机理。3.用具有层状结构的钛酸纳米带和稀土Er³⁺,Yb³⁺的溶液通过离子交换水热法制备出了Er³⁺和/或Yb³⁺掺杂的TiO₂纳米带。各种详细的表征手段证明了稀土离子进入了TiO₂晶格,并表现出强烈上转换发光特性,通过对比未掺杂的样品与商品P-25光催化剂评价了其可见光催化降解罗丹明B的活性,并对可见光催化活性增强影响因素和机理进行了深入分析。4.以Sr（OH）₂或Ba（OH）₂和TiO₂纳米带为前驱物,通过水热反应直接制得了立方相MTiO₃ （M=Ba或Sr）纳米粒子负载的TiO₂纳米复合材料。多种测试手段对产物的组成、物相、形貌、结构和光学性质进行了详细表征。对罗丹明B可见光催化降解结果证实,这些纳米复合材料皆有较高的光催化活性,远高于P-25纳米粒子的光降解活性。5.发明了一种简便的制备过程合成出具有高可见光催化活性降解罗丹明B的N掺杂的亚稳态β型TiO₂纳米带。制备过程包括室温条件下的NH4+离子交换过程和空气中煅烧。多种表征手段表明,N原子进入TiO₂（B）的晶格中引起了较大的可见光吸收,表现出比未掺杂纯锐钛矿相TiO₂纳米带和商品P-25纳米粒子光催化剂更高的光催化活性。6.通过室温条件下的化学络和还原法制备出了Ag纳米粒子负载的锐钛矿相TiO₂纳米带,并采用多种分析手段对体系的结构形貌光学性质做了详细的测试,证实了10-20nm Ag纳米粒子的负载,并发现负载Ag以后可见光响应能力以及范围大幅拓宽,并利用复合体系优势大幅提高了载流子分离效率,使氧化还原反应效率更高,还对其可见光催化活性经行了深入的评价和机理分析。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-24
  1.1 纳米材料的特性  10-11
    1.1.1 表面效应  10-11
    1.1.2 小尺寸效应  11
    1.1.3 量子尺寸效应  11
  1.2 TiO_2 光催化发展与机理研究  11-14
    1.2.1 TiO_2 光催化发展  11-12
    1.2.2 纳米TiO_2 的结构与光催化机制与机理  12-14
  1.3 TiO_2 光催化剂的用途  14-16
    1.3.1 环境污染物去除  14-15
    1.3.2 环境空气净化  15
    1.3.3 生物抗菌，抗病毒制剂  15
    1.3.4 清洁太阳能源利用  15-16
  1.4 纳米TiO_2 复合物的研究现状  16-21
    1.4.1 TiO_2 光催化技术存在的问题  16-17
    1.4.2 纳米TiO_2 的改性方法  17-21
  1.5 选题与研究方法  21-24
    1.5.1 本课题的目的、意义及学术和应用价值  21-22
    1.5.2 本课题研究思路和主要工作  22
    1.5.3 本课题研究方法和技术路线  22-24
第二章 TiO_2纳米带在强碱条件下水热反应的研究  24-32
  2.1 实验方法与材料  24-25
    2.1.1 实验材料  24
    2.1.2 实验方法与表征  24-25
  2.2 结果与讨论  25-31
    2.2.1 强碱溶液浓度的影响  25-27
    2.2.2 反应时间的影响  27-29
    2.2.3 反应温度的影响  29-31
  2.3 本章小结  31-32
第三章钛酸盐纳米带水热制备锐钛矿型TiO_2纳米带  32-42
  3.1 实验材料与方法  32-33
    3.1.1 实验材料与方法  32-33
    3.1.2 设备与表征  33
  3.2 结果与讨论  33-41
    3.2.1 由钛酸钠纳米带制备TiO_2  33-34
    3.2.2 由钛酸纳米带制备TiO_2 纳米带  34-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章 Er~(3+)与Yb~(3+)单、共掺杂TiO_2纳米线的制备与表征  42-57
  4.1 实验与操作步骤  43-45
    4.1.1 实验原料  43
    4.1.2 实验步骤  43
    4.1.3 表征仪器与设备  43-44
    4.1.4 可见光催化活性评价  44-45
  4.2 实验结果与讨论  45-56
  4.3 本章小结  56-57
第五章负载有MTiO_3(M=Sr 或Ba)的TiO_2纳米棒复合材料的制备和表征  57-69
  5.1 实验部分  57-59
    5.1.1 实验材料与样品制备  57-58
    5.1.2 仪器表征  58
    5.1.3 可见光催化活性评价  58-59
  5.2 结果与讨论  59-68
    5.2.1 负载有SrTiO_3 的TiO_2 纳米棒  59-63
    5.2.2 负载有BaTiO_3 的TiO_2 纳米棒  63-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章 N 掺杂β型TiO_2纳米线的制备与表征  69-84
  6.1 实验材料与方法  70-72
    6.1.1 实验材料  70
    6.1.2 实验方法  70-71
    6.1.3 仪器表征  71
    6.1.4 可见光催化活性评价  71-72
  6.2 结果与讨论  72-83
  6.3 本章小结  83-84
第七章负载有贵金属Ag 纳米粒子的TiO_2纳米带的制备与表征  84-94
  7.1 实验材料与方法  85-86
    7.1.1 实验材料  85
    7.1.2 实验方法  85
    7.1.3 测试与仪器表征  85-86
    7.1.4 可见光催化活性评价  86
  7.2 结果与讨论  86-93
  7.3 本章小结  93-94
第八章结论与建议  94-96
参考文献  96-103
附录  103-105
在学期间发表的学术论文及科研成果清单  105-106
致谢  106

离子掺杂型和氧化物及贵金属负载型TiO_2纳米线(带)的制备与表征

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