TiO_2纳米结构、复合及其光催化性能研究.pdf

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1、TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究籍云方2015年1月中图分类号：O521+.23UDC分类号：540TiO2纳米结构、复合及其光催化性能研究作者姓名籍云方学院名称材料学院指导教师陈卓副教授答辩委员会主席曹传宝教授申请学位工学硕士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月TiO2Nanostructures,CompositesandTheirPhotocatalyticPropertiesCandidateName:YunfangJiSchoolorDepartmen

2、t:MaterialScienceandEngineeringFacultyMentor:Assoc.Prof.ZhuoChenChair,ThesisCommittee:Prof.ChuanbaoCaoDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:MaterialsScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位

3、论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要二氧化钛因其具有化学性质稳定、抗光腐蚀、无毒和低成本等特点，在利用太阳能的光伏电池、光催化分解水、光催化降解有机物等方面有广泛的应用和科学研究价值。然而

4、，TiO2是宽带隙半导体，只能吸收有限紫外光，且光生电子-空穴对容易复合，光量子效率低，限制了其在光电催化领域的应用。因此，针对二氧化钛光量子效率偏低和光响应范围较窄的问题，本文主要通过合成不同二氧化钛纳米结构、对其进行微3+结构调控、Ti自掺杂改性、贵金属和半导体复合等途径，拓展二氧化钛可见光响应、增强其光催化活性，并进一步对光催化活性机理进行分析，为设计、开发高效纳米光催化剂提供借鉴与参考。以钛酸四丁酯（TBOT）与三氯化钛（TiCl3）为钛源，通过溶剂热反应制备了7nm3+3+左右的锐钛矿TiO2纳

5、米颗粒。通过改变不同钛源，实现了Ti的自掺杂，Ti的存在不仅提高了TiO2的可见光响应，并且作为电子捕获剂提高界面电子转移速率，使光催化效率得到增强。通过优化不同钛源的比例，得到TBOT与TiCl3为3:2配比合成的TiO2光催化效率最好。在此基础上进一步进行窄带隙CdS的复合得到CdS/TiO2复合纳米颗粒。这种复合结构不仅提高可见光响应能力，并且促使表面电荷快速分离，系统地考察了CdS的复合量对光催化效果的影响。结果表明复合量为8%时催化降解速度最优，为纯TiO2的1.5倍。采用低成本的液相法制备出大

6、量厚度约为5nm左右的二维TiO2超薄片，并系统研究了退火温度对TiO2超薄片晶体结晶度和光催化产氢性能的影响。结果表明随着退火温度的提高TiO2超薄片结晶度增加，然而光催化产氢性能却显著下降。通过电3+子顺磁共振分析得知对于未退火TiO2超薄片光诱导可以产生大量表面Ti，而退火后3+的样品表面Ti则大大减弱，从而导致其光催化产氢性能却显著下降。在对CdSe量子点尺寸、吸收峰和荧光峰精确调控的基础上，我们进一步将TiO2超薄片与CdSe半导体量子点进行复合。结果表明太阳光辐照下，复合窄带CdSe半导体量子

7、点后其光催化产氢速率有显著的提升。表观量子效率及电子顺磁共振分析结果表明CdSe的复3+合，使得可见光激发CdSe产生的光生电子可以转移到TiO2生成表面Ti并参与表面反应，从而极大的促进了其催化效率。我们进一步通过电子顺磁共振研究了TiO2超3+薄片与CdSe量子点复合样品光催化产氢的催化机理，结果表明表面Ti对于H自由1北京理工大学硕士学位论文基产生具有高的催化活性，然而由于Pt对H自由基的吸附能高于TiO2，因而Pt则对H2产生具有更高的催化活性。通过高温油相方法合成出暴露{001}活性面的单一锐钛

8、矿相TiO2纳米晶。通过调控表面活性剂的种类和比例可以调控暴露{001}活性面的程度，从而得到菱形与方形两种形貌TiO2纳米晶。并将上述暴露{001}面的TiO2纳米晶与贵金属纳米晶进行复合，通过改变前驱体浓度、反应温度、表面处理方式制备出了不同尺寸的贵金属纳米晶，并实现了贵金属TiO2纳米晶的异质复合。通过将暴露高活性面的TiO2纳米晶与具有表面等离激元的贵金属纳米晶复合有望提高TiO2光催剂的效率。3+关键词：二氧化钛；纳