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具有分级结构TiO_2纳米球的可控合成及性能研究

作　者: 成倩倩
导　师: 杨林
学　校: 河南师范大学
专　业: 无机化学
关键词: 纳米材料二氧化钛分级结构光催化染料敏化太阳能电池
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

具有可控形状TiO₂纳米材料的合成,是目前材料化学发展的一个重要目标,因为该材料在很多领域具有优越的性能,比如光催化﹑染料敏化太阳能电池（DSSCs）以及生物医学等领域。因此,有关TiO₂纳米材料的研究引起广泛的关注。以前研究报道合成的TiO₂纳米材料的形貌很多,比如纳米线﹑纳米棒﹑纳米管﹑菱形﹑不同的多面体等等。而最近几年,合成具有分级结构的TiO₂纳米材料成为国内外研究的热点。该结构是以更小的纳米颗粒为建筑模块组装而成的,赋予TiO₂纳米材料更多的优点,比如大的比表面积﹑丰富的介孔等等,使其在光催化﹑DSSCs以及生物医学领域占有一定的优势,具有潜在的应用前景。因此,开展具有分级结构TiO₂纳米材料的合成研究有重要意义,并且具有广阔的应用空间。本论文主要开展了以下研究:（1）分别以月桂醇﹑苯胺﹑壬酸为基质,采用溶胶-凝胶法和水热法相结合的途径成功合成了TiO₂微球,并通过SEM, HRTEM, XRD,BET等测试手段进行了表征。结果表明:三种TiO₂微球的直径处于500-700nm之间,它们具有13nm左右的更小颗粒组装而成的分级结构;其晶型为锐钛矿,结晶度很好;而且,三种微球具有大的比表面积和丰富的介孔,最大比表面积达101m2/g,孔径为9nm左右。而且,我们对介孔球的形成机理进行了推测,其可能是通过氢键作用自组装形成球形前驱体,然后经过水热和煅烧处理除去基质,得到具有分级结构的介孔球。（2）研究了三种TiO₂介孔微球的光催化性能以及作为光阳极材料的DSSCs的光伏性能。与商用P25粉相比,三种TiO₂介孔微球都表现出很好的光催化性能和光伏性能。其中,以壬酸为基质合成的TiO₂介孔微球光催化效果最好,只需要5mg样品,40min内就可以将25ml浓度为20ppm的罗丹明B溶液降解完全;以苯胺为基质合成的TiO₂介孔微球光伏性能最好,光电转化效率达6.55%。而且,我们还从比表面积,光学性能和电荷传输的角度,利用染料的吸附量,漫反射光谱和阻抗图谱分析性能存在差异的原因。.（3）利用乳液聚合法和分散聚合法,调控反应条件,合成了具有不同粒径的PS球。利用磺化PS球为模板成功合成了不同粒径TiO₂@PS球核壳结构,然后经过甲苯溶解处理以及高温煅烧,得到了不同粒径的TiO2空心球。通过TEM, XRD等测试手段进行了表征。结果表明:空心球的晶型为锐钛矿,其外壳是由更小的纳米颗粒组装而成的。通过实验结果,我们发现具有分级结构的TiO2纳米材料确实具有很好的光催化和光伏性能。这对于以后合成具有高的光催化活性和光电转化效率的新型TiO2纳米材料提供了参考。而且,根据测试结果分析,这些具有分级结构的纳米球在生物医学领域可能具有很好的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-31
  1.1 Ti0_2 纳米材料的研究意义  11
  1.2 Ti0_2 纳米材料的合成方法  11-22
    1.2.1 固相法  11-12
    1.2.2 气相法  12-14
    1.2.3 液相法  14-22
  1.3 Ti0_2 纳米材料的应用  22-28
    1.3.1 用作光催化材料  22-24
    1.3.2 在染料敏化太阳能电池中的应用  24-26
    1.3.3 在生物医学中的应用  26-28
    1.3.4 在其他方面的应用  28
  1.4 本论文的选题背景和主要研究内容  28-31
    1.4.1 选题背景  28
    1.4.2 主要研究内容  28-29
    1.4.3 创新点  29-31
第二章具有分级结构Ti0_2介孔微球的合成及其表征  31-45
  2.1 前言  31
  2.2 实验部分  31-33
    2.2.1 试剂及仪器  31-32
    2.2.2 实验过程  32-33
    2.2.3 样品的表征  33
  2.3 结果与讨论  33-43
    2.3.1 三种基质合成Ti0_2 介孔微球的相关形貌表征  34-38
    2.3.2 三种基质合成Ti0_2 微球的晶型﹑表面﹑成份表征及机理推测  38-43
  2.4 本章结论  43-45
第三章 Ti0_2介孔微球的光催化和DSSCs 光伏性能的研究  45-63
  3.1 前言  45-46
  3.2 实验部分  46-51
    3.2.1 试剂及仪器  46-47
    3.2.2 实验过程  47-49
    3.2.3 样品的表征  49-51
  3.3 结果与讨论  51-61
    3.3.1 Ti0_2 介孔微球的光催化性能  51-54
    3.3.2 Ti0_2 介孔微球的DSSCs 光伏性能  54-61
  3.4 本章结论  61-63
第四章不同粒径Ti0_2空心球的合成及表征  63-73
  4.1 前言  63
  4.2 实验部分  63-66
    4.2.1 试剂及仪器  63-64
    4.2.2 实验过程  64-66
    4.2.3 样品的表征  66
  4.3 结果与讨论  66-71
    4.3.1 不同粒径PS 球模板的表征  66-68
    4.3.2 不同粒径Ti0_2@ PS 球的表征  68
    4.3.3 煅烧前后不同粒径Ti0_2 空心球的表征  68-71
  4.4 本章结论  71-73
第五章结论与展望  73-75
  5.1 结论  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-82
致谢  82-83
攻读学位期间发表的学术论文目录  83-84

具有分级结构TiO_2纳米球的可控合成及性能研究

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