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TiO_2新型复合催化剂的制备及性能研究

曾庆平

  纳米半导体材料具有优异的物理化学和光学性能,在许多领域都有非常重要的潜在应用价值。近年来,利用半导体光催化剂独特的电子结构,在光照下降解水和空气中的污染物已经成为一个研究热点,有望解决日益严重的水污染和空气污染问题。其中,具有纳米结构的二氧化钛(TiO2)因其不溶于水,无毒,氧化能力强,化学稳定性好,催化活性高,便宜且容易获得吸引了广泛的关注。本文分别利用水热法和溶剂热法制备了TiO2/MWCNTs和TiO2/Graphene复合催化剂,实现了二氧化钛纳米粒子在多壁碳纳米管和石墨烯上均匀而紧密的负载。通过具有优异物理性能和光电性能的多壁碳纳米管和石墨烯的引入,实现了对纳米二氧化钛的复合改性,大幅提高了二氧化钛的光催化性能。本文主要工作及研究成果如下:1)利用水热法在180°C的反应温度下成功的制备了TiO2/MWCNTs复合催化剂,实现了二氧化钛纳米粒子在多壁碳纳米管上均匀而紧密的负载。通过一系列技术表征发现,TiO2/MWCNTs复合催化剂中的二氧化钛主要是锐钛矿相,同时还有少量的无定型钛,晶粒大小均匀,直径约为8 nm。二氧化钛纳米粒子通过Ti-O-C化学键与碳纳米管相互作用,强烈的相互作用使得二氧化钛的光响应范围红移了将近100nm。与纯二氧化钛相比,在模拟太阳光照射下,TiO2/MWCNTs复合光催化剂降解罗丹明B的速率提升了8.7倍。2)分别在150°C和160°C的反应温度下利用水热法制备了TiO2/MWCNTs复合催化剂,探索水热温度对二氧化钛纳米粒子形貌、粒径大小以及晶型的影响,同时还研究了水热温度对TiO2/MWCNTs复合催化剂光催化性能的影响。通过研究发现,150°C时只能得到无定型钛,不能得到纳米晶粒;180°C下得到的二氧化钛晶粒尺寸最大,晶体结构发展的也最完善。同时我们还研究了热处理对二氧化钛晶体结构和TiO2/MWCNTs催化性能的影响。在400°C和500°C下分别退火一小时后,二氧化钛的晶体结构得到进一步完善,光催化性能也得到进一步提高。3)分别在150°C、160°C、180°C和200°C下利用水热法制备了TiO2/Graphene复合催化剂。研究结果表明,水热温度为150°C时得到的是无定型钛,160°C、180°C和200°C得到的均为锐钛矿。水热反应温度越高,得到的二氧化钛晶粒的尺寸越大,160°C、180°C和200°C得到的二氧化钛晶粒的粒径分别在5 nm以下,5-10 nm和10 nm以上;随着水热温度的升高,二氧化钛晶体结构发展的越来越好,光催化性能也越来越强。……   
[关键词]:TiO2纳米粒子;水热法;多壁碳纳米管;石墨烯;光催化
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:上海交通大学2015年