發(fā)布時(shí)間：2017-08-23 16:40

  本文關(guān)鍵詞：TiO_2非晶納米顆粒的制備與表征

  更多相關(guān)文章： TiO2 非晶態(tài) 納米顆粒 溶膠-凝膠 沉淀法 光催化 晶化

【摘要】：TiO2因具有較高的催化活性、生物相容性、抗菌性和能夠吸收紫外線等優(yōu)異的性能,而被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域,如光催化、化妝品、太陽(yáng)能電池、化學(xué)傳感器以及鋰離子電池等。非晶態(tài)TiO2,作為TiO2的一種,結(jié)構(gòu)上具有非晶態(tài)特有的“短程有序,長(zhǎng)程無(wú)序”的特點(diǎn)。非晶態(tài)TiO2結(jié)構(gòu)上不同于晶態(tài)TiO2的有序結(jié)構(gòu),因此,非晶態(tài)TiO2具有不同于晶態(tài)TiO2的性能。非晶態(tài)TiO2在太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體器件以及納米玻璃的制備等領(lǐng)域具有廣泛的重要應(yīng)用前景。因此,非晶態(tài)TiO2的制備具有重要意義。我們采用傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法,以鈦酸四丁酯(TBOT)和異丙醇鈦(TTIP)為鈦源,制備TiO2非晶納米顆粒。探討加入醋酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液pH值,以及加入表面活性劑,對(duì)TiO2非晶納米顆粒的形狀、尺寸、相變和分散性的影響。分別采用直接沉淀法和均勻沉淀法,以無(wú)機(jī)鈦鹽為原料,制備TiO2顆粒,并對(duì)其進(jìn)行表征。二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N熱門的光催化劑材料,其可見光利用率低的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍。非晶態(tài)二氧化鈦結(jié)構(gòu)上不同于晶態(tài)二氧化鈦,具有不同于晶態(tài)二氧化鈦的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。因此,非晶態(tài)二氧化鈦有望成為解決二氧化鈦可見光利用率低的途徑之一。對(duì)所制備的TiO2非晶納米顆粒的光催化性能進(jìn)行表征,研究樣品顆粒尺寸及結(jié)構(gòu)對(duì)光催化性能的影響。此外,研究制備過(guò)程中使用酒精和水洗滌對(duì)TiO2樣品結(jié)構(gòu)的影響,分析了其機(jī)理,并將此方法在其他金屬氧化物及氫氧化物的制備過(guò)程中驗(yàn)證。該方法有望成為一種簡(jiǎn)單有效控制金屬氧化物和氫氧化物結(jié)構(gòu)的方法。研究結(jié)果表明,采用溶膠-凝膠法,以鈦酸四丁酯為鈦源,制備TiO2非晶納米顆粒。研究了表面活性劑,反應(yīng)溶液pH值,及鈦醇鹽種類對(duì)制備樣品顆粒尺寸的影響。以聚乙二醇(PEG)為表面活性劑,制備出樣品分散性較好,且顆粒尺寸較小。加入醋酸調(diào)節(jié)反應(yīng)溶液的pH值,加入1 mL醋酸時(shí),反應(yīng)溶液的pH值由6.0降低至3.8。制備樣品顆粒尺寸隨加入醋酸量的增加而減小。有機(jī)鈦鹽的水解速率受結(jié)構(gòu)中碳鏈的影響,碳鏈長(zhǎng)度越短反應(yīng)速率越快。因此,使用異丙醇鈦為鈦源,制備出了顆粒尺寸較小的TiO2非晶納米顆粒。透射電子顯微鏡(TEM)分析結(jié)果顯示,采用溶膠-凝膠法,制備出純度高、形狀比較規(guī)則、分散性較好,平均顆粒尺寸分別為21 nm、38 nm、52 nm的TiO2非晶納米顆粒。采用直接沉淀法,無(wú)機(jī)鈦鹽TiCl4為鈦源,3 mol/L氨水為沉淀劑,制備TiO2非晶納米顆粒。結(jié)合差熱分析(DTA)和X射線衍射(XRD)分析結(jié)果,確定了最佳煅燒參數(shù);300?C煅燒2 h,制備TiO2非晶納米顆粒。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析結(jié)果表明,樣品中有機(jī)物等其他雜質(zhì)基本被去除。透射電子顯微鏡(TEM)分析結(jié)果顯示,樣品顆粒的尺寸較小,且分散性較好。BET比表面積測(cè)試結(jié)果推算出前驅(qū)體樣品顆粒平均顆粒尺寸為3.57 nm,所制TiO2非晶納米顆粒平均顆粒尺寸為3.64 nm。然后采用均勻沉淀法,制備TiO2樣品,研究了不同鈦源及不同沉淀劑對(duì)樣品顆粒形狀的影響。以TiCl4和TBOT為鈦源制備的樣品顆粒形狀不規(guī)則,而以Ti(SO4)2為鈦源制備的樣品顆粒形狀為球形。使用不同沉淀劑制備樣品時(shí),可對(duì)樣品顆粒顆粒尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)制備的不同顆粒尺寸及結(jié)構(gòu)的TiO2樣品光催化性能進(jìn)行了研究。首先選取不同平均顆粒尺寸的TiO2非晶納米顆粒,進(jìn)行光催化試驗(yàn)。紫外-可見吸收光譜(UV-vis)分析結(jié)果顯示,樣品帶隙能隨顆粒尺寸減小而減小。紫外光催化分解甲基橙實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,樣品的催化性能隨顆粒尺寸減小而增加。此外,對(duì)非晶態(tài)和晶態(tài)二氧化鈦光催化性能進(jìn)行了對(duì)比分析。UV-vis分析結(jié)果顯示,非晶態(tài)TiO2可見光吸收率較高,且非晶態(tài)TiO2帶隙能較小。分解甲基橙(MO)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在紫外光照射下,晶態(tài)TiO2樣品具有較高的催化分解MO效率;在可見光照射下,非晶態(tài)TiO2樣品具有較高的催化分解MO效率。非晶態(tài)二氧化鈦有望成為解決二氧化鈦可見光利用率低的途徑之一。為控制TiO2非晶態(tài)結(jié)構(gòu),研究了制備條件對(duì)TiO2結(jié)構(gòu)的影響。TiO2樣品制備過(guò)程中,酒精和水洗滌對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)有較大影響。XRD分析結(jié)果顯示,酒精洗滌樣品為非晶態(tài)結(jié)構(gòu),而水洗滌樣品為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。酒精洗滌樣品經(jīng)過(guò)320?C煅燒2 h,仍保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)合FTIR和TG分析,得出控制樣品結(jié)構(gòu)的原因,是酒精洗滌樣品在樣品顆粒表面形成了(Ti(RCH2O)2xO2-x)有機(jī)包覆層,煅燒過(guò)程中包覆層被氧化為(Ti(RCOO)2xO2-x)包覆層,這兩種包覆層均能阻礙樣品顆粒的晶化,使樣品顆粒保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。水洗滌樣品由于沒(méi)有包覆層的存在,能夠在較低的溫度下晶化。該方法對(duì)制備TiO2樣品的結(jié)構(gòu)控制具有簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn),并在ZrO2、FeO(OH)和Al(OH)3的結(jié)構(gòu)控制中得以驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：TiO2 非晶態(tài) 納米顆粒 溶膠-凝膠 沉淀法 光催化 晶化
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ134.11;TB383.1
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 引言11-30
• 1.1 納米材料概述11-14
• 1.1.1 納米材料的物理特性11-13
• 1.1.2 納米材料的應(yīng)用13-14
• 1.2 非晶態(tài)材料概述14-16
• 1.2.1 非晶態(tài)材料的應(yīng)用15-16
• 1.2.2 納米玻璃16
• 1.3 二氧化鈦概述16-21
• 1.3.1 二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)17-18
• 1.3.2 非晶態(tài)二氧化鈦18-19
• 1.3.3 二氧化鈦納米顆粒的制備方法19-21
• 1.4 光催化技術(shù)簡(jiǎn)介21-23
• 1.5 本論文的選題依據(jù)和研究?jī)?nèi)容23-24
• 參考文獻(xiàn)24-30
• 第二章 納米顆粒的表征技術(shù)30-36
• 2.1 X射線衍射（XRD）30-31
• 2.2 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）31
• 2.3 掃描電子顯微鏡（SEM）31-32
• 2.4 透射電子顯微鏡（TEM）及選區(qū)電子衍射（SAED）分析32-33
• 2.4.1 透射電子顯微鏡（TEM）32-33
• 2.4.2 選區(qū)電子衍射（SAED）33
• 2.5 差熱-熱重分析(TG-DTA)33-34
• 2.6 BET比表面積測(cè)試法34
• 2.7 紫外-可見吸收光譜（UV-vis）34-35
• 參考文獻(xiàn)35-36
• 第三章 溶膠凝膠法制備TiO_2非晶納米顆粒36-48
• 3.1 概述36
• 3.2 實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程36-38
• 3.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備38
• 3.4 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程38
• 3.5 樣品的表征分析38-45
• 3.5.1 二氧化鈦前驅(qū)體的差熱-熱重分析38-39
• 3.5.2 二氧化鈦納米顆粒的XRD表征39-40
• 3.5.3 二氧化鈦非晶納米顆粒的FTIR表征40-41
• 3.5.4 樣品顆粒形貌的SEM表征41-43
• 3.5.5 樣品顆粒形貌的TEM表征43-45
• 3.6 小結(jié)45-46
• 參考文獻(xiàn)46-48
• 第四章 沉淀法制備TiO_2非晶納米顆粒48-60
• 4.1 概述48
• 4.2 實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程48-50
• 4.2.1 直接沉淀法48-49
• 4.2.2 均勻沉淀法49-50
• 4.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備50
• 4.4 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程50-51
• 4.4.1 直接沉淀法50
• 4.4.2 均勻沉淀法50-51
• 4.5 直接沉淀法制備樣品的表征分析51-55
• 4.5.1 二氧化鈦納米顆粒的XRD表征51
• 4.5.2 二氧化鈦前驅(qū)體的差熱-熱重分析51-52
• 4.5.3 二氧化鈦納米顆粒的FTIR表征52-53
• 4.5.4 樣品顆粒形貌的TEM表征53-54
• 4.5.5 BET比表面積測(cè)試法54-55
• 4.6 均勻沉淀法制備樣品的表征分析55-58
• 4.6.1 均勻沉淀法制備TiO_2形貌的SEM表征55-58
• 4.7 小結(jié)58
• 參考文獻(xiàn)58-60
• 第五章 TiO_2非晶納米顆粒光催化性能研究60-70
• 5.1 概述60-62
• 5.2 實(shí)驗(yàn)原理62
• 5.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備62
• 5.4 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程62-63
• 5.4.1 二氧化鈦樣品的制備62-63
• 5.4.2 二氧化鈦光催化分解甲基橙實(shí)驗(yàn)63
• 5.5 二氧化鈦非晶納米顆粒的光催化性能表征63-67
• 5.5.1 二氧化鈦非晶納米顆粒UV-vis表征63-64
• 5.5.2 樣品吸附特性研究64-65
• 5.5.3 二氧化鈦非晶納米顆粒光催化性能研究65-66
• 5.5.4 二氧化鈦非晶納米顆粒光催化循環(huán)穩(wěn)定性研究66-67
• 5.6 非晶態(tài)與銳鈦礦二氧化鈦光催化性能對(duì)比67-68
• 5.6.1 不同結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米顆粒UV-vis表征67
• 5.6.2 不同結(jié)構(gòu)二氧化鈦納米顆粒光催化性能研究67-68
• 5.7 小結(jié)68-69
• 參考文獻(xiàn)69-70
• 第六章 水和酒精洗滌對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的影響70-83
• 6.1 概述70
• 6.2 實(shí)驗(yàn)原理及過(guò)程70-71
• 6.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備71
• 6.4 具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程71-72
• 6.5 樣品的表征分析72-79
• 6.5.1 不同條件下制備二氧化鈦的XRD譜72-73
• 6.5.2 不同條件下制備二氧化鈦的FTIR表征73-75
• 6.5.3 酒精和水洗滌樣品的熱重分析75
• 6.5.4 酒精和水洗滌樣品的TEM表征75-77
• 6.5.5 酒精和水對(duì)其他體系影響的XRD表征77-79
• 6.6 小結(jié)79-80
• 參考文獻(xiàn)80-83
• 第七章 結(jié)論與展望83-86
• 7.1 結(jié)論83-84
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)84
• 7.3 展望84-86
• 在學(xué)期間的研究成果86-87
• 致謝87

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本文編號(hào)：726143