基于zn2+离子掺杂tio2一维纳米材料的制备及其光催化性能研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20071166硕士学位论文类别:全日制硕士研究生2+题目：Zn离子掺杂TiO2一维纳米材料的制备及其光催化性能研究英文题目：Preparationandphotocatalyticbehavior2+ofZndopedTiO2one-dimensionalnanomaterials研究生：赫晓东学科名称：化学工艺指导教师：董红英副教授二○一○年六月摘要TiO2纳米材料在光催化降解污染物、染料敏化、太阳能电池、光分解水等方面有着广阔的应用前景。由于TiO2禁带较宽，对太阳能的利用效率较低，制约了其在实际中

2、的应用。本论文从材料改性及形貌改善两个角度提高TiO2纳米材料的可见光下的光催化活性及实用性。2+成功制备了TiO2纳米粉末、纳米纤维、纳米管及Zn离子掺杂改性的TiO2纳米纤维、纳米管。试验利用差示扫描量热-热重分析仪、X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、比表面积测试仪、多角度超细颗粒分析仪及傅立叶变换红外光谱仪对所制备的材料进行了形貌、结构、性能的表征。对于TiO2纳米材料，结合DSC及XRD分析发现，从凝胶到TiO2纳米材料煅oo烧过程中，约400-450C形成TiO2锐钛矿相，金红石相的形成约在450-550C。所合成的TiO2纳米粉末粒径

3、分布均匀，平均粒径为30nm，有明显的团聚现象，比表2oooo面积约为40m/g。所制备的TiO2纳米纤维，经400C、450C、500C、600C煅烧4小时后，纤维直径缩小至100-500nm；TEM分析显示制备成的TiO2纤维是由一些o5-10nm的小粒子堆砌而成，经400C煅烧4小时后的TiO2纤维比表面积为22+70.81m/g。对于Zn掺杂改性的TiO2纳米纤维，根据XRD、SEM及能谱分析确认2+2+Zn以掺杂方式进入到TiO2晶格中。随着Zn离子掺杂浓度的增加，DSC曲线出峰2+的温度增加，但变化幅度很小，即Zn掺杂能降低TiO2纳

4、米纤维的成相及相转变温2+度；测试Zn掺杂浓度为0.52at%400℃煅烧4h后的TiO2纳米纤维比表面积为264.77m/g。采用同轴电纺法成功制备了TiO2纳米管，所制备的TiO2纳米管经400℃煅烧4h后相貌较好，管壁光滑，直径均一，壁厚约为50nm。2+应用量子化学密度泛函理论对TiO2材料及其过渡金属Zn离子掺杂结构进行2+了模拟计算，分析结果显示，Zn离子掺杂后使能带带隙变小，光吸收边红移，有利于材料的可见光下光催化性能。研究了所制备的各种TiO2纳米材料分别在紫外光和可见光下的光催化性能。实验结果表明，在紫外光区，在实验范围内所制备

5、的各种TiO2纳米材料对甲基橙的最2+高光降解率分别为：TiO2纳米粉末85%，TiO2纳米纤维69%，Zn掺杂TiO2纳米纤维52%，TiO2管仅为30%。可以看出，材料改性及形貌改变对TiO2材料在紫外光区的光催化性能影响较小；而在可见光区，在实验范围内所制备的各种TiO2纳米材料对亚甲基兰的最高光降解率分别为：TiO2纳米粉末25%，TiO2纳米纤维32%，TiO22+2+纳米管80%，Zn掺杂TiO2纳米纤维88%，Zn掺杂TiO2纳米管92%。由此可见，材料的改性及形貌的改变可以提高TiO2材料在可见光下的光催化性能。为TiO2纳米材料

6、的实用化提供了必要的理论基础。2+关键词：Zn掺杂；TiO2纳米纤维；TiO2纳米管；紫外光催化；可见光催化AbstractTiO2nanomaterialshaveboardapplicationprospectsinmanyfields,suchasphotocatalyticdegradation,dyesensitization,solarcellsandwaterphotolysis.However,theirapplicationshavebeenrestrictedduetowidebandgapandlowsolarenergye

7、fficiencyofTiO2.Inthispaper,manyeffortshavebeendevotedtoincreasephotocatalysisactivityinvisiblelightandpracticalityofTiO2nanomaterialsthroughmaterialmodificationandmorphologychanging.2+TheTiO2nanopowders,itsnanofibersandnanotubes,aswellasZndopedTiO2nanofibersandnanotubeswerep

8、reparedsuccessfully.Themorphology,structureand2+propertiesoftheTiO2a