富含｛001｝晶面二氧化鈦光催化劑的可控制備及性能研究.pdf

1、能源短缺和環(huán)境污染是目前世界各國面臨的重要挑戰(zhàn)。半導體光催化技術是人類社會高效利用太陽能和治理環(huán)境污染的有效途徑之一。由于納米二氧化鈦（TiO2）具有化學性質穩(wěn)定、毒性小、光催化氧化還原能力較高等優(yōu)點，因此成為研究和應用最為廣泛的一種半導體光催化材料。然而，TiO2的禁帶寬度較寬，光響應范圍窄，只能吸收利用太陽光譜中的紫外光部分，且量子效率偏低，大大限制了其實際應用和工業(yè)化發(fā)展。對于銳鈦礦TiO2而言，活性{001}晶面與通常暴露的{1

2、01}晶面相比，光生電子和空穴復合率降低，量子效率更高。本論文圍繞富含高活性{001}晶面的銳鈦礦TiO2，通過微結構調控構筑分等級結構和表面摻雜改性拓展可見光響應范圍兩個途徑出發(fā)，提高光生載流子的傳遞效率，進而獲得具有高光催化活性的TiO2光催化材料。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.富含{001}面的TiO2納米晶自組裝多孔微球的合成與光催化性能研究。以鈦酸丁酯與氫氟酸水熱反應合成含有{001}晶面的TiO2納米晶體為基礎，通過加入

3、葡萄糖可獲得由富含{001}晶面的TiO2納米晶自組裝而形成的分級多孔微球結構。在水熱過程中，葡萄糖分子選擇性的吸附在銳鈦礦TiO2納米晶的{001}晶面表面，抑制其生長速度，在較低的晶面導向劑（HF）用量下提高{001}晶面的穩(wěn)定性;另一方面，葡萄糖分子在水熱過程中發(fā)生縮聚、脫水形成富含含氧官能團的碳鏈分子能夠發(fā)揮粘合劑的作用誘導TiO2納米晶自組裝形成分級介孔微球。更重要的是隨著水熱反應的進行，葡萄糖縮聚形成的含碳多聚糖分子進一步水

4、熱碳化在TiO2納米晶表面形成碳包覆層，不僅提高了TiO2對可見光的響應性，還增強了催化劑對亞甲基藍染料的吸附能力，并且Ti-O-C鍵的存在也有利于光生載流子的傳遞。與沒有碳包覆的樣品相比，在可見光下催化降解亞甲基藍染料的性能提高了4.5倍。
　　2.富含{001}晶面的TiO2納米片低溫氫氣等離子輔助快速自摻雜改性。借助低溫介質阻擋等離子體(DBD)技術手段，對銳鈦礦TiO2納米片進行還原氫化處理，得到了具有殼核結構的藍色TiO

5、2納米片。其外殼由無定形結構形成，內(nèi)核為{001}晶面暴露的片狀晶體結構。通過控制氫氣等離子體的還原時間，可以調控無定形外殼中氧空位缺陷和TP+的摻雜量。與還原處理前的TiO2納米片相比，還原處理后得到的Ti3+自摻雜修飾的{001}晶面暴露的TiO2納米片不僅對可見光具有較強的吸收響應性，而且在可見光照射下羥基自由基的生成數(shù)量有明顯提高。氫氣等離子體還原10 min后得到產(chǎn)物在可見光下催化降解亞甲基藍染料的表觀速率常數(shù)是改性處理前Ti

6、O2納米片的4倍。與傳統(tǒng)的金屬或非金屬離子摻雜結果不同，采用氫氣等離子體還原后的Ti3+自摻雜的TiO2納米片紫外光催化活性沒有受到影響?；趯嶒灲Y果分析，提出了殼-核結構的形成以及無定性殼中的Ti3+和氧空位缺陷在導帶底部形成的局域能級能夠顯著提高TiO2納米片光吸收性能以及光生電子-空穴分離效率的作用機理。
　　3.富含{001}面的TiO2納米片的N、Ti3+雙摻雜改性。針對單一Ti3+摻雜無法有效抑制光生電子-空穴復合的問

7、題，提出了采用NH3-DBD等離子體技術對{001}晶面暴露的TiO2納米片進行一步N、Ti3+共摻雜改性處理。采用Ar/H2/NH3等離子體處理后得到的TiO2納米片均由晶體內(nèi)核和無定形外殼兩部分組成，但是無定形外殼中的氧空位缺陷和Ti3+的含量取決于放電氣氛的選擇。與Ar和H2等離子體改性處理相比，NH3-DBD等離子體處理得到的N、Ti3+-共摻雜修飾的TiO2納米片表現(xiàn)出最優(yōu)異的可見光降解亞甲基藍染料催化性能。這主要是由于NH3