TiO2基復(fù)合功能材料的制備與應(yīng)用研究.pdf

1、二氧化鈦(TiO2)是一種寬禁帶的n型半導(dǎo)體，其應(yīng)用涵蓋了光催化、氣體傳感、光化學(xué)合成、電致變色、太陽(yáng)能電池、鋰離子電池等領(lǐng)域。單一相的TiO2材料往往不能夠滿(mǎn)足實(shí)際性能的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)TiO2材料的復(fù)合與各種功能摻雜，制備具有大比表面積與各種特殊形貌的TiO2材料對(duì)改善與提高TiO2材料性能，拓寬TiO2的應(yīng)用領(lǐng)域不僅具有重要的理論意義，更有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)TiO2基復(fù)合材料的研究主要涉及光催化和傳感器領(lǐng)域，從材料的組分設(shè)計(jì)、

2、制備、性能及相關(guān)的理論機(jī)制等方面進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.通過(guò)簡(jiǎn)單的水解與水熱過(guò)程，制備出復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁性光催化材料。其結(jié)構(gòu)可以表示為(γ-Fe2O3@SiO2)n@ZiO2，n代表數(shù)目不等的分布于TiO2基體之中的細(xì)小γ-Fe2O3@SiO2核。復(fù)合材料表現(xiàn)出超順磁性和良好的磁響應(yīng)，在外加磁場(chǎng)作用下能夠很快的聚集到一起，并且經(jīng)過(guò)輕微搖晃可以很容易地再分散于溶液中。亞甲基藍(lán)的光降解實(shí)驗(yàn)表明，其光催化活性接

3、近于純的TiO2，80 min內(nèi)可以降解約80％的亞甲基藍(lán)。
　　 2.采用陽(yáng)極氧化法制備的TiO2納米管陣列作為基底材料，以電化學(xué)還原的方法在其表面沉積一層Ni，作為無(wú)酶葡萄糖傳感器的電極。電化學(xué)曲線分析表明TiO2納米管陣列在0.1 MNaOH溶液中具有很寬的電化學(xué)窗口(-0.7-1.0V)，在0.6 V氧化電壓下，飽和電流只有0.03μA，適合作為電化學(xué)生物傳感器的基底。這種無(wú)酶葡萄糖傳感器對(duì)葡萄糖的檢測(cè)能夠達(dá)到很高的靈敏

4、度，約為200μAmM-1cm-2，檢測(cè)限達(dá)到4μM(S/N=3)。葡萄糖的線性檢測(cè)范圍隨著氧化電壓的升高逐漸變寬。這是由于葡萄糖的電化學(xué)氧化在低電壓下是吸附控制的過(guò)程，對(duì)濃度不敏感；在高電壓下，是擴(kuò)散控制的過(guò)程，對(duì)濃度很敏感，所以高電壓有利于得到更寬的線性范圍。
　　 3.以簡(jiǎn)單的水熱法合成了菊花狀三維分級(jí)結(jié)構(gòu)的TiO2納米材料。不同反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)物的形貌分析表明，分級(jí)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是一個(gè)腐蝕-再沉積的過(guò)程。對(duì)不同前驅(qū)體反應(yīng)物反應(yīng)得到

5、的產(chǎn)物形貌的分析表明Ti粉、NaOH、H2O2是TiO2三維分級(jí)結(jié)構(gòu)形成的必要條件。TiO2分級(jí)結(jié)構(gòu)的BET面積約為64㎡g-1。由TiO2分級(jí)結(jié)構(gòu)制成的氣體傳感器在350℃對(duì)100 ppm乙醇?xì)怏w具有最大的感應(yīng)靈敏度，約為6.4，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為12 s、9 s。隨著溫度的升高，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間逐漸縮短?？焖俚捻憫?yīng)恢復(fù)時(shí)間可能是由于分級(jí)結(jié)構(gòu)制備的傳感器具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于氣體的擴(kuò)散。靈敏度隨溫度的變化并不是線性的，而是先增大后減小，在

6、350℃時(shí)有一個(gè)最大值。O2作為氣敏反應(yīng)的氧化劑，其在TiO2表面的吸附情況決定了靈敏度的大小，O2在TiO2表面的吸附隨溫度的增加先增加后減小，所以導(dǎo)致靈敏度隨溫度變化也是先增大后減小。
　　 4.以水熱法成功制備了結(jié)構(gòu)均一的TiO2納米線，然后通過(guò)化學(xué)還原法在TiO2納米線上沉積Pt納米顆粒。Pt納米顆粒能夠明顯提高TiO2納米線的光催化活性，這主要是因?yàn)镻t與TiO2納米線之間形成的Schottky勢(shì)壘使光生電子迅速移向金

7、屬Pt顆粒，減小了電子/空穴復(fù)合的幾率。Pt的修飾對(duì)TiO2光催化活性的改善有一個(gè)最佳值，Pt修飾的量不是越多越好。實(shí)驗(yàn)表明，Pt/Ti原子比為1:100的樣品的性能優(yōu)于1:50與1:200的樣品。同時(shí)，紅外光譜表明Pt的催化活性有助于TiO2完全降解有機(jī)污染物。
　　 5.通過(guò)水熱法制備了尺寸可調(diào)的TiO2納米晶作為研究金屬離子摻雜的載體。選擇Fe和Cu的油酸鹽作為摻雜的前驅(qū)體，成功實(shí)現(xiàn)了Fe3+和Cu2+對(duì)TiO2納米晶的摻