二氧化钛基等离子体光催化剂的微结构调控及光催化性能研究

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1、中图分类号：学校代码：10055UDC：密级：公开博士学位论文二氧化钛基等离子体光催化剂的微结构调控及光催化性能研究StudyofTiO2-basedPlasmonicPhotocatalysts:MicrostructureModulationandPhotocatalyticActivity论文作者陈昱指导教师鞠美庭教授申请学位理学博士培养单位环境科学与工程学院学科专业环境管理与经济研究方向生物质固废资源化答辩委员会主席李金惠评阅人李金惠夏北成季民尤学一汤洁南开大学研究生院二○一七年六月南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交

2、的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年月日非公开学位论文标注说明(本页表中填写内容须打印)根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明为空白。论文题目申请密级□限制(≤2年)□秘密

3、(≤10年)□机密(≤20年)保密期限20年月日至20年月日审批表编号批准日期20年月日南开大学学位评定委员会办公室盖章(有效)注：限制★2年(可少于2年);秘密★10年(可少于10年);机密★20年(可少于20摘要摘要能源短缺和环境污染是人类社会所面临的两大主要问题。半导体光催化技术为有效治理环境污染和高效利用太阳能提供了一种新的途径。由于TiO2材料的稳定和廉价等特点成为目前应用最为广泛的半导体光催化剂，常用在污水处理、空气净化、光解水制氢制氧等光催化领域，然而目前实际应用的TiO2光催化剂的可见光效应范围窄，且光生载流子复合率高，

4、量子效率低等缺陷制约着该催化剂的广泛应用。因此，如何提高光生电荷的有效分离和快速迁移，避免可能的体相/表面复合以及如何提高入射光利用率和可见光响应范围等是光催化技术发展的瓶颈。等离子体光催化剂作为一种新型的可见光响应光催化剂，近年来受到了研究人员的青睐。本博士论文基于TiO2光催化材料，展开了一系列的研究，通过微结构调控、掺杂、复合等改性修饰方式，获得高效的等离子体光催化剂，对其在光催化降解污染物和光催化选择性氧化应用中的性能进行评估，并阐述反应过程中关键步骤的反应机理。首先，针对催化剂易失活、易凝聚和吸附性能差的缺点，提出采用分子筛S

5、BA-15为硬模板，负载Au纳米颗粒和TiO2。通过改变Au纳米颗粒的负载量，探索金负载量与光催化活性之间的关系。相比于P25，Au/TiO2/SBA-15展现出较大的比表面积，使其对光催化反应底物具有极强的吸附能力。另外，由于分子筛特殊的孔道结构，可以限制Au纳米颗粒和TiO2纳米晶体的生长，在分散Au纳米颗粒的同时，保证了贵金属和半导体之间的充分接触。Au/TiO2/SBA-15等离子体光催化剂不仅可以利用金纳米颗粒的等离子体共振效应拓展可见光吸收范围，还能结合Au和TiO2之间形成的肖特基势垒，降低了光生电子和空穴的复合几率。最后

6、以光催化选择性氧化苯甲醇分子作为探针反应，考察了该催化剂在模拟太阳光条件下的光催化活性，并着重探讨了Au纳米颗粒的等离子体共振效应敏化作用和SBA-15分子筛的强吸附能力对光催化反应的影响规律。其次，在二氧化钛的形貌构筑及表面改性方面，提出二氧化钛空心结构和Ti3+自掺杂结合的联合改性方法，以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐作为溶剂和微波吸波剂，在微波条件下，合成具有空心结构的TiO2，通过真空煅烧法进一步修饰，获得具有空心结构的Ti3+/TiO2。在研究过程中发现离子液体的I摘要种类及TiO2前驱体的添加量对合成催化剂的结晶度

7、、表面形貌和孔隙结构起着决定作用。另外，离子液体在合成过程中不仅充当溶剂和微波吸波剂，还起到释放氟离子的作用。另外，真空煅烧修饰将氧原子抽离二氧化钛晶格，在二氧化钛的禁带中引入新的能级，提升其对可见光的吸收和响应。由于真空煅烧法形成的特殊壳层结构，能够保护次表层的Ti3+掺杂位点不被氧化，从而使催化剂在降解亚甲基蓝和选择性氧化苯甲醇的反应中表现出良好的可循环性。再次，利用原位光还原法在TiO2载体上合成了Au、Ag、Pt、Pd四种等离子体光催化剂，以苯甲醇分子的选择性氧化反应作为探针实验，考察了四种等离子体光催化剂在可见光下的光催化活性

8、。实验着重探讨了反应过程中的光源强度、光源发光波长和反应环境温度三个重要参数对光催化反应效率的影响，建立了单金属等离子体光催化剂与光催化性能之间的构效关系。实验结果表明：Pt2–TiO2具有高效可见光光催化