近年來,TiO2光催化技術(shù)受到了世界各國環(huán)境領(lǐng)域研究者地強(qiáng)烈關(guān)注,TiO2材料光催化劑非常有希望能夠在光解水制氫以解決能源問題及光催化分解有機(jī)物以進(jìn)行環(huán)境污染治理等方面發(fā)揮重要作用。在各種形貌結(jié)構(gòu)的納米TiO2材料中,Ti O2納米管陣列擁有更大的比表面積、孔體積和更高的表面活性能,同時(shí)它還擁有更強(qiáng)大的吸附能力,在反應(yīng)中展示出了更高效的光催化活性和光電轉(zhuǎn)化效率,因而在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域具有更優(yōu)良的性能。然而在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中,Ti O2納米管光催化劑仍然面臨一些不可回避的問題,(1)TiO2的禁帶寬度大(銳鈦礦相結(jié)構(gòu)和板鈦礦相結(jié)構(gòu)的帶隙能是3.2eV,金紅石相結(jié)構(gòu)的帶隙能是3.0eV),所以它僅僅能夠吸收和利用太陽光譜中波長小于387.5nm的紫外光部分,對太陽光能的利用率很低;(2)單純TiO2納米結(jié)構(gòu)材料在光照下被激發(fā)產(chǎn)生的載流子復(fù)合率很高,因此其量子效率也比較低。為解決這些問題,使用非金屬元素/金屬元素的摻雜、表面改性、光敏化以及與其它材料結(jié)合形成復(fù)合材料等技術(shù)手段能夠較為有效的拓展TiO2納米管陣列的吸收光譜和提高量子效率,但是以上方法,大部分都工藝較為復(fù)雜并且制備成本昂貴。使用氧化物半導(dǎo)體與TiO2納米管陣列復(fù)合一種提高其光催化效果的有效方法,多種半導(dǎo)體之間的能級交錯(cuò)偶合,會使得光生電子和空穴得到很好的分離,并且拓展吸收光譜,從而提高了光量子效率和催化活性。在本文的研究中,采用恒壓電化學(xué)陽極氧化法在不同溶液條件下分別制備出TiO2納米結(jié)構(gòu),然后使用溶劑熱法、浸涂法、電沉積法,用Cu2O、ZnO對TiO2納米管陣列進(jìn)行復(fù)合,并詳細(xì)對樣品的結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行表征分析。將制備得到的光催化劑進(jìn)行不同條件下光催化降解實(shí)驗(yàn),并對結(jié)果進(jìn)行討論。(1)利用電化學(xué)陽極氧化法分別在三種不同的溶液中制備TiO2納米結(jié)構(gòu),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在HF的水溶液中,鈦片表面生成的是多孔的交聯(lián)狀納米結(jié)構(gòu);在NH4F的乙二醇溶液中,鈦片表面生成了規(guī)則的陣列狀TiO2納米管,而且管的長度可以達(dá)到幾十微米,但是使用這種方法制備的TiO2納米管陣列容易從鈦基底脫落,不利于進(jìn)行氧化物的復(fù)合和光催化實(shí)驗(yàn);在HF的DMSO溶液中,通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)的時(shí)間可以很好地制備出TiO2納米管陣列,而且管與管之間相互分立,不易于從鈦基底上脫落。對制備得到的TiO2納米管陣列進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn),研究不同溫度退火后樣品的光催化性能,結(jié)果顯示550℃退火得到的銳鈦礦相TiO2納米管陣列具有很好地光催化效果。(2)使用溶劑熱法通過調(diào)整反應(yīng)物原料、溫度和反應(yīng)時(shí)間條件制備Cu2O納米球,發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用硝酸銅的乙二醇溶液可以制備得到純凈的Cu2O納米球,控制反應(yīng)時(shí)間在4小時(shí)至10小時(shí)之間可以控制Cu2O納米球的大小。將生長有TiO2納米管陣列的鈦片豎直放入到制備純凈Cu2O納米球的溶劑熱環(huán)境中,可以方便的在TiO2納米管上生長Cu2O納米顆粒,而且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長,Cu2O納米顆粒呈現(xiàn)增多趨勢。對純凈的Cu2O納米球在可見光條件下進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其對甲基橙具有良好的降解性能;對Cu2O/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)分別在紫外光和可見光條件下進(jìn)行光催化降解實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示Cu2O/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品在紫外光下有明顯的催化性能提升,在可見光條件下的催化實(shí)驗(yàn)也表面修飾后的樣品極大的提高了TiO2納米管陣列的光催化性能。(3)分別使用水熱法、浸涂法和電沉積法在TiO2納米管陣列中生長ZnO,使用水熱法所制備得到的樣品表面有大量體積較大的顆粒狀ZnO,因其不能與TiO2很好結(jié)合并且阻擋了水中有機(jī)物與TiO2納米管的充分接觸,導(dǎo)致所制備樣品的光催化效果出現(xiàn)下降;使用浸涂法制備ZnO/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以有效地控制ZnO的尺寸,并且制備得到的樣品催化效果較好;使用電沉積法制備ZnO/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)可以通過控制沉積時(shí)間的長短方便的控制TiO2納米管陣列中ZnO的沉積量,光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明沉積時(shí)間在30s左右可以獲得光催化效果較好的ZnO/TiO2納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TB383.1
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
        1.1.1 納米材料概述
2納米材料的基本性質(zhì)'>        1.1.2 TiO₂納米材料的基本性質(zhì)
2納米管的發(fā)展及其制備'>        1.1.3 TiO₂納米管的發(fā)展及其制備
2納米管陣列的制備及應(yīng)用'>    1.2 TiO₂納米管陣列的制備及應(yīng)用
2納米管陣列'>        1.2.1 陽極氧化法制備TiO₂納米管陣列
2納米管陣列的修飾改性研究'>        1.2.2 TiO₂納米管陣列的修飾改性研究
2納米管陣列的應(yīng)用'>        1.2.3 TiO₂納米管陣列的應(yīng)用
    1.3 本研究的主要內(nèi)容和意義
第二章 實(shí)驗(yàn)與表征
    2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備
        2.1.1 實(shí)驗(yàn)器材與耗材
        2.1.2 材料制備設(shè)備與裝置
    2.2 實(shí)驗(yàn)所需表征儀器
        2.2.1 X射線衍射（XRD）儀
        2.2.2 掃描電子顯微鏡（SEM）
        2.2.3 透射電子顯微鏡（TEM）
        2.2.4 拉曼光譜（Raman-shift）
2納米管陣列的制備及其光催化性質(zhì)'>第三章 TiO₂納米管陣列的制備及其光催化性質(zhì)
    3.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品
    3.2 樣品制備
    3.3 樣品表征分析
        3.3.1 水溶液體系制備樣品的表征分析
        3.3.2 乙二醇溶液體系制備樣品的表征分析
        3.3.3 二甲基亞砜溶液體系制備樣品的表征分析
2納米管陣列的光催化性質(zhì)研究'>    3.4 TiO₂納米管陣列的光催化性質(zhì)研究
2的光催化原理'>        3.4.1 TiO₂的光催化原理
        3.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程
2的光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析'>        3.4.3 TiO₂的光催化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
2O修飾Ti O2納米管陣列的制備及其光催化'>第四章 Cu₂O修飾Ti O2納米管陣列的制備及其光催化
    4.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品
    4.2 樣品制備
    4.3 樣品表征分析
2O的表征分析'>        4.3.1 醋酸銅乙二醇溶液制備Cu₂O的表征分析
2O的表征分析'>        4.3.2 硝酸銅乙二醇溶液制備Cu₂O的表征分析
2O/TiO₂復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的表征分析'>        4.3.3 Cu₂O/TiO₂復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的表征分析
2O 和 Cu₂O/TiO₂的光催化性質(zhì)研究'>    4.4 Cu₂O 和 Cu₂O/TiO₂的光催化性質(zhì)研究
2O/TiO₂的光催化原理'>        4.4.1 Cu₂O/TiO₂的光催化原理
2O和Cu₂O/TiO₂的光催化結(jié)果分析'>        4.4.2 Cu₂O和Cu₂O/TiO₂的光催化結(jié)果分析
    4.5 本章小結(jié)
2納米管陣列的制備及其光催化'>第五章 ZnO修飾TiO₂納米管陣列的制備及其光催化
    5.1 主要實(shí)驗(yàn)藥品
    5.2 樣品制備
    5.3 樣品表征分析
2的表征分析'>        5.3.1 水熱法制備ZnO/TiO₂的表征分析
2的表征分析'>        5.3.2 浸涂法制備ZnO/TiO₂的表征分析
2的表征分析'>        5.3.3 電沉積法制備ZnO/TiO₂的表征分析
2的光催化性質(zhì)研究'>    5.4 ZnO/TiO₂的光催化性質(zhì)研究
2的光催化原理'>        5.4.1 ZnO/TiO₂的光催化原理
2的光催化結(jié)果分析'>        5.4.2 ZnO/TiO₂的光催化結(jié)果分析
    5.5 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
參考文獻(xiàn)
致謝
附錄

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本文編號：2869784