精细分级结构纳米复合材料的制备及光催化性质研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文精细分级结构纳米复合材料的制备及光催化性质研究专业：材料学博士生：陈建军导师：张荻教授苏慧兰副研究员上海交通大学材料科学与工程学院二零一四年五月万方数据ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorFABRICATIONANDPHOTOCATALYTICPROPERTIESOFNANOCOMPOSITEMATERIALSWITHHIERARCHICALSTRUCTURESMajor:MaterialsScienceCandi

2、date:JianjunChenSupervisor:Prof.DiZhangAssociateProf.HuilanSuSchoolofMaterialsScienceandEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityMay,2014万方数据万方数据万方数据摘要摘要能源危机和环境污染是21世纪人们首要面对的两大难题，TiO2作为催化剂，目前已经广泛应用于包括空气与水体在内的污染物净化处理，光催化分解水制氢等领域，在解决环境污染与能源短缺方面表现出巨大的潜力。然而，TiO2光催化功能材料在实际应用中存在一定的瓶颈，如光响应范围窄，量子

3、产率低下，稳定性(重复使用寿命)低。为解决这一科学问题，启迪于大自然的智慧，本研究提出采用具有光响应特性的自然生物材料作为模板，将其转变为具有复合组分的高效光催化功能材料，并研究具有光响应特性的分级结构和复合组分的耦合作用对提高和改善光催化功能材料性能的影响规律，揭示了其耦合响应机制，为高效光催化功能材料的结构及组分设计、制备及应用研究提供了科学依据和实用途径。主要研究内容及结果如下：一、启迪于蝶翅蜂窝状分级多孔结构有利于光捕获的结构特点，以蝶翅为模板，通过溶剂热结合煅烧工艺成功将其转变为TiO2光催化功能材料。研究结果表明，TiO2保留了原始蝶翅蜂窝状分级多孔结

4、构,具有蝶翅形貌的TiO2可大大提高光催化性能。在紫外光的照射下，具有蝶翅蜂窝状分级多孔结构的TiO2对曙红B溶液的催化降解速率是无模板条件下制备的TiO2的两倍，是商业TiO2的五倍。其优异的光催化性能主要归结于蝶翅特殊蜂窝状分级多孔结构，这种结构有利于光的捕获，进而提高了光催化性能。二、基于单一组分TiO2量子产率低下的局限性，从组分优化角度对蝶翅形貌TiO2进行了改性。以蜂窝状分级多孔结构的蝶翅为模板，通过溶胶凝胶煅烧结合沉积沉淀的方法制备了Au/TiO2复合物。其中，金纳米粒子均匀的分布在蝶翅形貌TiO2基体表面。在可见光的照射下，以甲基橙的降解为模型反应

5、，对不同样品的光催化性能进行了研究。其中具有蝶翅形貌8wt%Au/TiO2具有最高的光催化活性，80分钟内能够完全降解甲基橙溶液，优于无模板的TiO2(37%)、蝶翅形貌TiO2(54%)和P25(56%)的降解率。其优异的光催化活性是蝶翅独特的蜂窝状分级多孔结构和二元组分耦合作用的效果。一方面，蝶翅独特的蜂窝状分级多孔结构有利于光的捕获，从而提高了光的捕获率。同时这种独特的结构具有较大的比表面积，有利于染料的吸附，能提供较多的光催化反应活性中心。此外，金纳米粒子沉积在TiO2表面有利于抑制电荷复合，提高光催化效率。经过几次重复循环光降解实验后，蝶翅形貌8wt%A

6、u/TiO2的光催化降解率几乎没有任何减少，表明蝶翅形貌8wt%Au/TiO2I万方数据上海交通大学博士学位论文光催化剂相对比较稳定。三、为了扩展TiO2的光响应范围，在贵金属修饰蝶翅形貌TiO2的基础上，通过进一步与半导体硫化镉复合，构筑了具有高可见光催化产氢活性的光催化功能材料。首先采用溶胶-凝胶结合煅烧工艺制备出具有蝶翅蜂窝状分级多孔结构TiO2，接着利用光还原法将贵金属Pt纳米颗粒沉积在蝶翅形貌TiO2表面，最后通过化学沉积法将CdS纳米颗粒复合在蝶翅形貌Pt-TiO2表面。样品的光催化活性通过可见光(λ≥420nm)照射Na2SO3和Na2S水溶液的产氢

7、速率来评价。具有蝶翅形貌TiO2和Pt-TiO2样品在可见光的照射下都没有光催化产氢活性。经过与CdS纳米颗粒复合后，蝶翅形貌TiO2和Pt-TiO2样品在可见光照射下都表现出优异的产氢活性。其中，CdS复合的蝶翅形貌Pt-TiO2样品表现出最高的可见光催化产氢活性，这个样品在420nm处的表观量子效率可达到12.7%，远高于对比CdS/Pt-TiO2纳米颗粒的1.20%，其优异的产氢速率主要归结于蝶翅蜂窝状分级多孔结构和三元组分耦合作用的效果。四、启迪于绿叶能同时提供非金属氮掺杂源和有利于光捕获精细分级多孔结构的特点，以具有高光捕获能力的C4植物中的玉米叶片作为

8、模板，通过