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TiO_2纳米管的制备、改性及光催化性能研究

作　者: 汤佳
导　师: 钟世安
学　校: 中南大学
专　业: 分析化学
关键词: TiO2纳米管水热法 ZnO 光催化降解
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

二氧化钛是一种重要的无机功能材料,因其价廉,无毒,无选择性,化学稳定性强,在光催化降解大气和水中污染物等领域得到广泛应用。本文以锐钛矿型TiO2粉体为原料,采用水热法合成了二氧化钛纳米管(TiO2-NTs),并进一步研究通过复合半导体来改善TiO2纳米管的光催化性能。通过透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、电子衍射能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、比表面积(BET)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等手段对材料进行表征,并研究了纳米管在紫外光辐照下对罗丹明B的光催化降解性能,具体内容如下：以钛酸四丁酯为原料,用溶胶凝胶法制备锐钛矿型TiO2纳米粉体；通过水热法成功地制备出TiO2纳米管。结果表明,在400℃下煅烧样品得到锐钛矿型TiO2纳米管,样品晶化程度好。该法制得的二氧化钛纳米管的晶型较二氧化钛纳米粉末未发生改变,比表面积大幅度提升,达到220.7m2·g-1；纳米管团聚较少,分散性好,管径约5-10nm,管长约0.1-1μm,光催化活性有显著提高。通过电镜结果证实,制备的纳米管是由TiO2纳米粉状经高温高压过程得到Na2TiO3片状结构,进而通过酸洗水洗过程卷曲成纳米管。以制备得到的TiO2纳米管为基底,通过优化设计,得到沉淀法制备氧化锌/二氧化钛纳米管复合材料的最佳条件：ZnO含量为20%,NaOH浓度为0.2M。研究结果表明,经过ZnO表面修饰后,纳米管的结构没有发生明显变化,且ZnO粒子呈六方晶系纤锌矿结构均匀分散在纳米管的外表面,粒径约6nm,复合氧化锌对纳米管的形态无影响。光谱分析表明氧化锌复合TiO2纳米管(ZnO/TiO2-NTs)的吸收光谱有轻微红移；复合型二氧化钛纳米管的光催化活性较ZnO和TiO2纳米管有显著提高,氧化锌的掺杂存在一个最佳掺杂量为20%,高于或低于最佳掺杂量,光催化效率均下降；催化剂重复性好,易回收。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章文献综述  8-23
  1.1 引言  8
  1.2 纳米材料简介  8-9
  1.3 纳米二氧化钛的性质  9-13
    1.3.1 基本性质  9-11
    1.3.2 光催化原理  11-13
  1.4 二氧化钛纳米管的制备方法  13-15
    1.4.1 电化学阳极氧化法  13-14
    1.4.2 模板法  14-15
    1.4.3 水热法  15
  1.5 二氧化钛纳米管的形成机理  15-16
  1.6 二氧化钛的改性  16-19
    1.6.1 离子掺杂  16-18
    1.6.2 半导体复合  18
    1.6.3 金属沉积  18-19
    1.6.4 光敏化  19
  1.7 二氧化钛光催化材料的应用  19-21
    1.7.1 对污染物的降解  19-20
    1.7.2 光催化抗菌消毒  20-21
    1.7.3 绿色能源方面的应用  21
  1.8 本课题研究的目的及研究内容  21-23
第二章实验与测试  23-29
  2.1 引言  23
  2.2 实验试剂与仪器  23-24
    2.2.1 水热反应釜  23
    2.2.2 实验试剂  23-24
    2.2.3 实验仪器  24
  2.3 实验原理及方法  24-26
    2.3.1 溶胶-凝胶形成过程  24-25
    2.3.2 水热法制备二氧化钛纳米管  25-26
  2.4 样品的表征分析  26-29
    2.4.1 晶型分析(XRD)  26-27
    2.4.2 微结构分析(TEM)  27
    2.4.3 比表面积及孔径分析(BET)  27
    2.4.4 表面形态分析(SEM)  27
    2.4.5 元素分析(EDS)  27-28
    2.4.6 紫外可见光谱(UV-vis)  28-29
第三章二氧化钛纳米管的制备与改性研究  29-46
  3.1 引言  29-30
  3.2 锐钛矿型二氧化钛纳米粒子的制备  30-31
    3.2.1 锐钛矿型二氧化钛纳米粒子的制备  30
    3.2.2 样品表征  30-31
  3.3 水热法制备二氧化钛纳米管  31-36
    3.3.1 氧化钛纳米管的制备  31-32
    3.3.2 样品的SEM分析  32-33
    3.3.3 热处理温度对TiO_2-NTs物相与形貌的影响  33-35
    3.3.4 TiO_2-NTs的BET分析  35
    3.3.5 TiO_2-NTs的形成机理研究  35-36
  3.4 沉淀法制备ZnO/TiO_2-NTs  36-40
    3.4.1 ZnO/TiO_2-NTs的制备  36-37
    3.4.2 ZnO含量对ZnO/TiO_2-NTs复合材料的物相结构的影响  37-38
    3.4.3 ZnO含量对ZnO/TiO_2-NTs复合材料的形貌的影响  38-39
    3.4.4 NaOH溶液浓度对ZnO/TiO_2-NTs复合材料形貌的影响  39-40
    3.4.5 ZnO(20 at%)/TiO_2-NTs的BET分析  40
  3.5 TiO_2-NTs与ZnO/TiO_2-NTs最优条件下的表征与分析  40-44
    3.5.1 物相结构分析  40-41
    3.5.2 微观形貌分析  41-43
    3.5.3 样品成分分析  43
    3.5.4 光响应性能分析  43-44
  3.6 本章小结  44-46
第四章二氧化钛纳米管的光催化性能研究  46-55
  4.1 引言  46
  4.2 实验  46-47
    4.2.1 反应装置  46-47
    4.2.2 光催化降解实验  47
    4.2.3 空白实验  47
  4.3 锐钛矿型二氧化钛纳米粉末及纳米管的光催化性能研究  47-49
    4.3.1 锐钛矿型二氧化钛纳米粉末光催化降解效果  48
    4.3.2 二氧化钛纳米管的催化活性评价  48-49
  4.4 ZnO/TiO_2-NTs的催化活性评价  49-52
    4.4.1 催化剂在不同罗丹明B浓度下的降解效果  49-50
    4.4.2 氧化锌负载量不同的影响  50-51
    4.4.3 ZnO/TiO_2-NT加入量不同的影响  51-52
    4.4.4 ZnO(20%)/TiO_2-NT重复利用率的研究  52
  4.5 二氧化钛的光催化降解机理  52-54
  4.6 本章小结  54-55
第五章结论  55-57
参考文献  57-63
致谢  63-64
攻读学位期间主要的研究成果目录  64

TiO_2纳米管的制备、改性及光催化性能研究

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