FTO基底上TiO2納米線陣列合成與修飾及其光催化性能研究.pdf

1、近幾年,以TiO2納米材料為核心的應(yīng)用不斷增加。在一些重要領(lǐng)域,如能量產(chǎn)生,累積,保存以及環(huán)境污染物降解中一些很具潛力的技術(shù)都是以TiO2納米材料為基礎(chǔ)的TiO2作為一種n型半導(dǎo)體材料,由于特殊的光響應(yīng)性質(zhì),引起了科學(xué)家們的廣泛興趣。尤其是低維尺寸的TiO2納米材料,例如納米線和納米管,更是在最近得到了極大地關(guān)注。TiO2納米線陣列依賴于形貌的獨(dú)特的物理、化學(xué)、光電性質(zhì),使其在環(huán)境可持久性有機(jī)污染物質(zhì)的處理技術(shù)中具有重要意義。在本工作中

2、,具體研究?jī)?nèi)容如下所列:
　　(1)采用兩步溶劑熱合成法成功實(shí)現(xiàn)了在FTO導(dǎo)電玻璃表面生長(zhǎng)TiO2納米線陣列。由XRD、SEM、TEM表明TiO2納米線陣列為金紅石型,具有較高的垂直定向性以及對(duì)FTO良好的附著能力。TiO2納米線長(zhǎng)度為0.4-0.8μm,直徑為10nm-20nm。通過BET測(cè)試表明,通過該方法合成的TiO2納米線陣列擁有比P25更大的比表面積,使其對(duì)污染物質(zhì)具有更好的吸附能力,從而促進(jìn)了TiO2納米線表面光催化反

3、應(yīng)的進(jìn)行。
　　(2)通過光致還原法成功合成了Ag/TiO2納米線陣列復(fù)合材料。從TEM影像圖可以觀察到TiO2納米線表面的Ag納米顆粒分布均勻,且尺寸小于10nm。通過EDX和XPS能量彌散譜圖證明Ag單質(zhì)與Ag+共同存在于TiO2納米線的表面。在紫外-可見漫反射吸收中,復(fù)合材料在可見光區(qū)有明顯的吸收峰,這是由Ag納米粒子的等離子共振效應(yīng)引起的,從而使復(fù)合材料具有較好的光敏性;同時(shí)復(fù)合材料在Cr(VI)的光還原應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)異

4、的光催化活性:當(dāng)體系中酒石酸濃度為24mM時(shí),在可見光照射的條件下,復(fù)合材料對(duì)Cr(VI)的光還原速率為476.2μg/L min-1 cm-2,且當(dāng)酒石酸濃度為80mM時(shí),反應(yīng)速率達(dá)到一個(gè)飽和值1000μg/L min-1 cm-2。實(shí)驗(yàn)證明,復(fù)合材料在pH=2的強(qiáng)酸性環(huán)境下,對(duì)Cr(VI)具有高光催化還原活性;相反,在堿性環(huán)境中,復(fù)合材料對(duì)Cr(VI)無任何光催化還原活性。除此之外,高離子強(qiáng)度也會(huì)明顯抑制復(fù)合材料對(duì)Cr(VI)的光催

5、化還原活性。動(dòng)力學(xué)研究表明復(fù)合材料對(duì) Cr(VI)的光催化還原符合擬一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,但與粉體的均勻分散不同使得反應(yīng)分為兩個(gè)階段,且后段的反應(yīng)速率常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始階段。在對(duì)復(fù)合材料的光催化機(jī)理的研究中,通過實(shí)驗(yàn)和分析不同小分子有機(jī)酸的結(jié)構(gòu)差異,發(fā)現(xiàn)了具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及p-π共軛效應(yīng)的酒石酸使復(fù)合材料展現(xiàn)出最高的光催化活性,并建立了對(duì)應(yīng)的光催化機(jī)理模型。通過測(cè)試表明,生長(zhǎng)在FTO導(dǎo)電玻璃上的Ag/TiO2納米線陣列復(fù)合材料具有良好的循環(huán)利

6、用性能。
　　(3)采用H2O2原位氧化法成功合成了Ag3PO4/TiO2納米線陣列復(fù)合材料。通過TEM影像圖可以觀察到TiO2納米線表面的Ag3PO4納米顆粒分布均勻,且尺寸極小,大約只有2nm左右。通過EDX表征復(fù)合材料的化學(xué)元素組成,證明了在TiO2納米線的表面存在的極小顆粒為Ag3PO4。對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行Mott-schottky曲線電化學(xué)測(cè)試,表明復(fù)合材料薄膜具有了p型半導(dǎo)體的性質(zhì)。在光電流測(cè)試中,復(fù)合材料相比未負(fù)載的Ti

7、O2納米線陣列具有更大的光電流密度,其大小為0.06mA/cm2。同時(shí)復(fù)合材料的吸收邊在紫外可見漫反射吸收測(cè)試中表現(xiàn)出明顯的紅移現(xiàn)象。這些都表明復(fù)合材料具有更小的帶隙能(2.7ev)和更高的光敏性,從而能夠產(chǎn)生更多的光生載流子。選擇RhB來表征Ag3PO4/TiO2納米線陣列復(fù)合材料的光催化性能。實(shí)驗(yàn)證明:強(qiáng)酸性環(huán)境有利于復(fù)合材料對(duì)RhB的光催化氧化,而且復(fù)合材料在24mM的酒石酸體系中,展現(xiàn)出了比無酒石酸存在時(shí)高的多的光催化活性。動(dòng)力