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纳米TiO_2复合材料的制备及应用研究

作　者: 鞠剑峰
导　师: 李澄俊
学　校: 南京理工大学
专　业: 兵器科学与技术
关键词: 纳米TiO2复合材料光催化抗菌性能发烟剂燃烧红外消光
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

纳米TiO₂复合材料的制备、复合途径对TiO₂性能的影响及其在军民领域中的应用是当前研究的热点之一。本文从TiO₂的光催化机理入手，提出了几种能有效提高其催化氧化活性的复合模型，并根据模型制备了几种不同的纳米TiO₂复合材料，研究复合对TiO₂催化氧化性能、抗菌性能的影响，对制备的复合材料在光催化、抗菌、喷撒型抗红外固体气溶胶及燃烧型抗红外发烟剂中进行了应用研究，主要内容如下：从TiO₂的光催化机理出发，提出氧化剂复合模型、氧化剂-金属沉积复合模型、半导体-氧化剂复合模型制备复合材料，以扩展TiO₂的激发波段，降低光生电子-空穴的复合几率，并进行机理分析。根据氧化剂复合模型，制备TiO₂-WO₃纳米复合催化剂，对3.3×10^-3mol／L甲醛溶液进行光催化，考察不同条件对其光催化性能的影响；制备Fe³⁺／TiO₂复合材料，研究太阳光下其催化降解甲基橙的活性；制备Cu²⁺／TiO₂复合材料研究其抗菌性能；采用浸渍法制备了不同掺杂量的纳米V₂O₅／TiO₂复合材料，研究掺杂对TiO₂抗菌性能和可见光催化活性的影响。结果表明，相同的焙烧温度下，WO₃掺杂能抑制粒径的长大；焙烧温度升高，TiO₂金红石相质量分数增加，粒径变大；WO₃掺杂量为3％、600℃焙烧时，金红石相质量分数为13.5，光催化活性最高，甲醛光催化1.5h后降解率达到64％，比纯TiO₂光催化活性高出79.4％。纳米Fe³⁺／TiO₂复合材料具有多孔结构，表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺使纳米粒子分散均匀，形成多孔结构。表面活性剂加入和Fe³⁺掺杂能抑制粒径的长大，表面活性剂质量分数5％，Fe³⁺掺杂量为2％，甲基橙溶液的pH值为5时复合材料的光催化效果最好，太阳光照射3h降解达到30％以上，比纯TiO₂的光催化效率提高了10倍。Cu²⁺／TiO₂复合材料Cu²⁺掺杂量1.6％以上才具有较好的抗菌性能，适量掺杂时以催化机理杀菌，过量掺杂时以溶出机理杀菌。浸渍法制备的纳米V₂O₅／TiO₂复合材料不需紫外光照射即具有较强的抗菌性能，对大肠杆菌和金黄葡萄球菌产生透明抑菌圈，抑菌直径为8～11mm。FT-IR和XPS的测试结果证实了复合材料中新键Ti-O-V的存在。较低浓度掺杂可见光催化降解甲醛能力大大提高，掺杂量过大时，V⁵⁺以V₂O₅形式覆盖在TiO₂表面，此时催化性能大大降低，不具有杀菌性能。根据氧化剂-金属沉积复合模型，采用溶胶凝胶法制备纳米Ag／TiO₂复合材料，研究其抗菌性能和光催化性能，并以X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）进行表征。成功制备出了既具有较强抗菌性能又具有较强光催化性能的纳米Ag／TiO₂复合材料。应用其整理的纺织品不需紫外光照射即具有较强的抗

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-26
  1.1 纳米TiO_2的结构和性能  12-16
    1.1.1 TiO_2的晶体结构  12-13
    1.1.2 TiO_2的能带结构  13-14
    1.1.3 纳米TiO_2的缺陷  14-15
    1.1.4 纳米TiO_2的特性  15-16
      1.1.4.1 纳米TiO_2的表面状态  15
      1.1.4.2 光学特性  15
      1.1.4.3 光电转换特性  15-16
      1.1.4.4 电学特性  16
      1.1.4.5 光催化特性  16
  1.2 纳米TiO_2的应用及存在的缺陷  16-19
  1.3 纳米TiO_2复合材料国内外研究现状  19-25
    1.3.1 金属沉积法  19-20
    1.3.2 离子掺杂法  20-22
      1.3.2.1 金属离子掺杂  20-21
      1.3.2.2 阴离子掺杂  21
      1.3.2.3 非金属阳离子掺杂  21-22
    1.3.3 半导体复合法  22-23
    1.3.4 表面修饰方法研究  23
    1.3.5 催化剂负载方法研究  23-24
    1.3.6 可见光催化性能研究  24
    1.3.7 制备方法研究  24-25
  1.4 本论文问题的提出及研究内容  25-26
2 纳米TiO_2复合模型设计  26-35
  2.1 纳米TiO_2光催化机理  26-28
  2.2 氧化剂复合模型  28-30
  2.3 氧化剂-金属沉积复合模型  30-32
  2.4 半导体-氧化剂复合模型  32-35
3 氧化剂复合模型制备复合材料  35-58
  3.1 纳米TiO_2／WO_3的制备及对甲醛的光催化降解  35-40
    3.1.1 实验  35-36
    3.1.2 结果和讨论  36-40
  3.2 多孔纳米Fe~(3+)／TiO_2的制备及太阳光催化性能  40-47
    3.2.1 实验  40-41
    3.2.2 实验结果与讨论  41-47
  3.3 纳米Cu~(2+)／TiO_2复合材料的制备及性能  47-52
    3.3.1 实验  48-49
    3.3.2 实验结果与讨论  49-52
  3.4 纳米V_2O_5／TiO_2复合材料的制备及抗菌性能  52-57
    3.4.1 实验  52-53
    3.4.2 实验结果与讨论  53-57
  3.5 本章小节  57-58
4 氧化剂-金属沉积复合模型制备复合材料  58-69
  4.1 溶胶凝胶法Ag／TiO_2复合材料的制备及性能  58-67
    4.1.1 实验  59-60
    4.1.2 实验结果与讨论  60-67
  4.2 本章小节  67-69
5 氧化剂-半导体复合模型制备复合材料  69-96
  5.1 纳米TiO_2-SiO_2复合材料的制备及性能  69-78
    5.1.1 实验  69-70
    5.1.2 膜包覆复合设计  70-73
    5.1.3 膜包覆过程  73-74
    5.1.4 CTAB的作用  74
    5.1.5 实验工艺条件的确定  74-75
    5.1.6 实验结果与讨论  75-78
  5.2 纳米V_2O_5／TiO_2-SiO_2复合材料的制备及抗菌性能  78-86
    5.2.1 实验  79-80
    5.2.2 V_2O_5／TiO_2-SiO_2复合模型  80-81
    5.2.3 实验结果和讨论  81-86
  5.3 纳米Ag~+／TiO_2-SiO_2复合材料的制备及性能  86-90
    5.3.1 实验  86-87
    5.3.2 实验结果和讨论  87-90
  5.4 V_2O_5／TiO_2-SiO_2复合材料、Ag~+／TiO_2-SiO_2复合材料的应用—抗菌陶瓷的制备  90-91
  5.5 Fe~(3+)／TiO_2-SiO_2复合材料的制备及光催化性能  91-94
    5.5.1 实验  91-92
    5.5.2 实验结果和讨论  92-94
  5.6 本章小节  94-96
6 表面修饰纳米TiO_2复合材料的制备及应用  96-112
  6.1 气溶胶的红外消光原理  97-100
  6.2 纳米TiO_2／PANI复合材料的制备及红外消光性能  100-106
    6.2.1 PANI的导电性  100-101
    6.2.2 实验  101-102
    6.2.3 实验结果和讨论  102-106
  6.3 纳米TiO_2／Fe_3O_4的制备及其对发烟剂性能的影响  106-111
    6.3.1 实验  106-107
    6.3.2 实验结果和讨论  107-111
  6.4 本章小结  111-112
7 结论  112-115
  7.1 本文结论  112-113
  7.2 本论文创新点  113-114
  7.3 本课题发展趋势  114-115
致谢  115-116
参考文献  116-127
作者博士期间发表的论文  127

纳米TiO_2复合材料的制备及应用研究

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