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二氧化钛纳米材料的溶胶凝胶法制备及其光催化性能研究

作　者: 张俊娟
导　师: 赵高凌
学　校: 浙江大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: TiO2 溶胶凝胶法 低温 PVP PEG 光催化
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


纳米二氧化钛(Ti02)光催化材料具有氧化能力强、光催化活性高、稳定、无毒等优点,在环保领域,建筑领域,农业领域等得到了广泛的应用。本研究通过溶胶-凝胶法制备了三种不同形态的Ti02纳米材料,分别为Ti02纳米粉末,Ti02薄膜和Ti02纤维,并分别对其各项性能进行了研究。本文首先介绍了Ti02纳米材料及其光催化机理和影响因素,突出了Ti02在光催化领域的优势。在此基础上,展开了Ti02纳米晶的溶胶凝胶法低温制备的研究,并通过添加不同的成膜剂来制备Ti02薄膜,从而达到固定Ti02的目的。研究发现Ti02薄膜的光催化活性远差于Ti02纳米晶,于是本研究又利用溶胶凝胶法制备了Ti02纤维,提高了Ti02的光催化性能,同时也固定了Ti02,并通过Au的掺入来提高Ti02纤维的光催化活性。本研究利用X-Ray衍射(XRD),透射电镜(TEM),高分辨透射电镜(HRTEM),能量弥散X射线探测器(EDS),紫外可见吸收光谱(UV-Vis Abs),原子力显微镜(AFM)及接触角等测试手段研究了Ti02的结晶性能、微观结构、亲水性能及光催化性能,主要研究如下：在室温下,利用钛酸丁酯在过量的水中进行水解缩聚反应制得锐钛矿相的TiO2纳米晶,粒径为3-4 nm,且晶粒尺寸分布均匀。研究发现,样品的光催化活性随着水与钛酸丁酯的摩尔比n的增大先增大后减小,当n=120时,样品光催化活性最高。另外,将制得的Ti02粉末分别对甲基橙、亚甲基蓝及罗丹明B进行光降解发现,罗丹明B最易降解,其次为亚甲基蓝,甲基橙最难降解。在水性Ti02溶胶中加入有机成膜剂(PVP、PEG)并通过喷涂法制得Ti02薄膜样品。研究结果表明,添加PVP的Ti02薄膜表面较平整,膜厚度约为600 nm；添加PEG的Ti02薄膜表面粗糙度大,膜厚约为300 nm。另外,PVP及PEG的加入均提高了Ti02薄膜的亲水性能；当加入PVP或小分子量的PEG时,薄膜光催化性较差,而加入大分子量PEG,薄膜光催化性能较好。当PEG分子量为6000,加入量为10%时,Ti02薄膜样品的各项性能最好。采用溶胶凝胶法制备了TiO2及Au/TiO2复合纤维,研究结果表明,热处理后的Ti02呈锐钛矿结构,随着温度的升高,Ti02结晶度提高；加入的Au在Ti02纤维中形成了Au颗粒,颗粒尺寸为7-15 nm。Au的掺入显著地提高了Ti02纤维的光催化活性,且其光催化活性随着Au的掺入量的增加而增大。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章 文献综述  11-33
  1.1 引言  11-12
  1.2 TiO_2纳米材料  12-15
    1.2.1 TiO_2的性质  12-13
    1.2.2 TiO_2纳米材料的特性  13-14
    1.2.3 TiO_2光催化的应用  14-15
  1.3 TiO_2的光催化机理及影响因素  15-20
    1.3.1 能带结构  15-16
    1.3.2 TiO_2的光催化机理  16-18
    1.3.3 TiO_2的光催化影响因素  18-20
  1.4 TiO_2的亲水性能  20-23
    1.4.1 TiO_2的亲水性能机理  20-21
    1.4.2 亲水性能的影响因素  21-22
    1.4.3 改善亲水性的方法  22-23
  1.5 TiO_2的制备方法  23-30
    1.5.1 溶胶-凝胶法  23-25
    1.5.2 沉淀法  25-26
    1.5.3 水热法  26-27
    1.5.4 微乳液法  27-28
    1.5.5 气相沉积法  28-29
    1.5.6 电泳法  29-30
    1.5.7 热解法  30
  1.6 本课题的提出和意义  30-33
第二章 实验原料设备及分析测试方法  33-37
  2.1 实验原料与设备  33-34
  2.2 分析测试方法  34-37
    2.2.1 X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)  34
    2.2.2 扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)  34
    2.2.3 X射线色散能谱(Energy dispersive spectra,EDS)  34-35
    2.2.4 透射电镜(Transmission electron microscopy,TEM)  35
    2.2.5 薄膜亲水性测定  35
    2.2.6 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis absorption spectra)  35-36
    2.2.7 光催化活性的测定  36
    2.2.8 原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)  36-37
第三章 低温溶胶凝胶法制备TiO_2纳米晶  37-49
  3.1 样品的制备  37-39
  3.2 样品的物相分析及微结构  39-41
    3.2.1 TiO_2粉末样品的物相分析  39-40
    3.2.2 TiO_2粉末样品的微结构  40-41
  3.3 样品的光催化性能分析  41-47
    3.3.1 TiO_2粉末样品的光学性能  41-42
    3.3.2 TiO_2粉末样品对甲基橙的光催化降解  42-43
    3.3.3 TiO_2粉末样品对亚甲基蓝的光催化降解  43-44
    3.3.4 TiO_2粉末样品对罗丹明B的光催化降解  44-45
    3.3.5 TiO_2粉末样品对三种染料光降解程度的分析  45-47
  3.4 本章小结  47-49
第四章 低温溶胶凝胶法制备TiO_2薄膜  49-63
  4.1 样品的制备  49-51
  4.2 样品的微结构  51-55
    4.2.1 TiO_2薄膜样品的形貌及厚度  51-54
    4.2.2 TiO_2薄膜样品的表面微结构  54-55
  4.3 样品的亲水性能分析  55-58
    4.3.1 添加剂为PVP  56-57
    4.3.2 添加剂为PEG  57-58
  4.4 样品的光催化性能分析  58-61
    4.4.1 添加剂为PVP  58
    4.4.2 添加剂为PEG  58-61
  4.5 本章小结  61-63
第五章 溶胶凝胶法制备TiO_2及Au/TiO_2纤维  63-71
  5.1 样品的制备条件  63-65
  5.2 纤维样品的结晶性能  65-66
  5.3 纤维样品形貌和组分  66-67
  5.4 纤维样品的微观结构  67-69
  5.5 纤维样品光催化性能分析  69-70
  5.6 本章小结  70-71
第六章 结论与展望  71-73
  6.1 结论  71-72
  6.2 展望  72-73
参考文献  73-79
致谢  79-80
个人简历  80-81
攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果  81
  已发表或已接收论文  81
  投稿中论文  81
  申请专利  81

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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