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碳纳米纤维负载钐掺杂TiO_2纳米颗粒的制备及光催化性能表征

作　者: 朱丽英
导　师: 于运花
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料学
关键词: 二氧化钛 钐掺杂 碳纳米纤维 光催化剂 静电纺丝
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


工业发展给环境带来了对水的污染,我国现行的污水处理方法虽然工艺成熟,但对于水体中存在的低浓度、生物难降解的某些有机污染物是无法去除的。在众多的光催化剂中,二氧化钛（TiO2）以其价廉、无毒、稳定性好、催化效率高、能够再生循环利用等优点,成为目前研究的热点。然而仍然有两个因素限制了TiO2的工业应用:一是纯的TiO2光催化效率比较低;二是TiO2纳米颗粒催化剂易团聚,难以回收利用。为了解决上述的问题,掺杂和负载化是两个很好的方法和途径。本文用静电纺丝和溶胶-凝胶法相结合的方法,把含有钐离子和TiO2前驱体的PAN溶液,通过静电纺丝法制得钐掺杂的TiO2前驱体/PAN纤维,经过预氧化、浸渍水解和焙烧处理后,制得了钐掺杂的TiO2纳米颗粒负载于碳纳米纤维表面的杂化光催化材料（Sm-TiO2/CNFs）。为了研究Sm掺杂浓度、烧结温度以和纤维负载化对催化材料的表面形态、晶体结构的影响,我们分别做了SEM、TEM、EDX、XRD和XPS等测试表征,结果表明经过预氧化、水解和600℃、700℃和800℃碳化处理得到了不同的Sm-TiO2/CNFs,纤维表面负载的TiO2颗粒尺寸随着温度的升高而增大;同时晶体的类型也逐渐由锐钛矿向金红石相转变,600℃的样品中TiO2只有锐钛矿单一的晶相。在所有的样品中,钛元素都是以+4的形式存在于TiO2,均匀分散在碳纳米纤维的表面。为了研究Sm-TiO2/CNFs的光催化性能,我们表征了样品在紫外光下对甲基橙溶液的光催化降解效率。与TiO2粉末相比,TiO2/CNFs的光催化活性要好一些,因为CNFs的较强吸附能力,纤维负载使TiO2/CNFS获得了吸附-催化的协同效应。相对于TiO2/CNFs,Sm-TiO2/CNFs的光催化活性有了明显的提高,这是因为Sm对TiO2的掺杂作用,且随着Sm掺杂量的增多,Sm-TiO2/CNFs的光催化活性先提高后降低,存在着一个最佳掺杂浓度1.5%。钐掺杂的主要作用是抑制电子-空穴对的复合,从而提高光催化性能。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第一章 绪论  16-38
  1.1 前言  16-17
  1.2 二氧化钛光催化剂的催化机理  17-19
  1.3 二氧化钛光催化剂的改性研究  19-22
    1.3.1 二氧化钛光催化剂的掺杂改性原理  19
    1.3.2 二氧化钛光催化剂的掺杂剂种类  19-22
      1.3.2.1 非金属元素掺杂  19-20
      1.3.2.2 贵金属沉积  20
      1.3.2.3 半导体光敏化  20
      1.3.2.4 半导体复合  20-21
      1.3.2.5 金属离子掺杂  21-22
    1.3.3 稀土掺杂TiO_2的机理研究  22
  1.4 纳米二氧化钛光催化剂的制备方法  22-24
    1.4.1 气相法  22
    1.4.2 液相法  22-24
    1.4.3 固相法  24
  1.5 二氧化钛光催化剂的应用领域  24-26
    1.5.1 抗菌材料  24
    1.5.2 水处理  24-25
    1.5.3 空气净化  25
    1.5.4 新型太阳能电池  25-26
    1.5.5 自清洁功能  26
  1.6 二氧化钛光催化剂的负载研究  26-30
    1.6.1 二氧化钛光催化剂的负载载体概述  26-27
    1.6.2 二氧化钛光催化剂的负载材料种类  27-28
    1.6.3 影响负载TiO_2光催化剂催化活性的因素  28-30
      1.6.3.1 催化剂制备方法对催化活性的影响  29
      1.6.3.2 催化剂制备条件等对催化活性的影响  29
      1.6.3.3 金属离子掺杂  29-30
  1.7 静电纺丝制备纳米纤维研究  30-36
    1.7.1 静电纺丝的研究历史及现状、前景  30
    1.7.2 静电纺丝的装置及原理  30-33
    1.7.3 静电纺丝制备纳米纤维的工艺影响因素  33-34
    1.7.4 静电纺丝纳米纤维的应用领域  34-36
      1.7.4.1 增强复合材料  34
      1.7.4.2 过滤材料  34
      1.7.4.3 电子器件  34-35
      1.7.4.4 生物医学领域  35
      1.7.4.5 其他方面  35-36
  1.8 结束语  36
  1.9 本课题的研究意义、内容  36-38
第二章 实验部分  38-44
  2.1 主要原料  38
  2.2 实验仪器  38-39
  2.3 实验方法  39-40
    2.3.1 静电纺丝制备二氧化钛前驱体/PAN纳米纤维  39
    2.3.2 杂化纤维的预氧化—稳定化  39
    2.3.3 二氧化钛前驱体的水解  39-40
    2.3.4 掺杂二氧化钛/碳纤维的制备-碳化  40
    2.3.5 CNFs及TiO_2粉体的制备  40
  2.4 测试表征  40-44
    2.4.1 纳米纤维的形貌结构表征  40-41
    2.4.2 纳米纤维的晶相结构表征  41
    2.4.3 纳米纤维的化学组成分析  41
    2.4.4 纳米纤维的催化性能测试  41-44
第三章 结果与讨论  44-58
  3.1 纳米纤维的表面形貌分析  44-48
    3.1.1 电纺原丝的表面形貌  44-45
    3.1.2 预氧化纤维的表面形貌  45
    3.1.3 Sm-TiO_2/CNFs的表面形貌  45-47
    3.1.4 纤维的内部结构  47-48
    3.1.5 元素的定性及半定量分析  48
  3.2 TiO_2晶型分析  48-51
    3.2.1 温度对TiO_2晶型的影响  48-50
    3.2.2 钐掺杂含量对TiO_2晶型的影响  50-51
  3.3 元素化学态分析  51-55
    3.3.1 XPS整体峰分析  51-52
    3.3.2 Ti2p的XPS分析  52-53
    3.3.3 O1s的XPS分析  53-55
    3.3.4 Sm3d5的XPS分析  55
  3.4 催化材料的光催化性能分析  55-58
    3.4.1 负载及掺杂对光催化性能的影响  55-56
    3.4.2 不同钐掺杂浓度对Sm-TiO_2/CNFs光催化性能的影响  56-58
第四章 结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64-66
研究成果及发表的学术论文  66-68
导师和作者简介  68-69
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  69-70

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族金属元素及其化合物 > 钛副族（ⅣB族金属元素） > 钛Ti
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