TiO_2复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

【摘要】全球性环境保护已逐渐成为关注的热点，污染物的降解引起广泛研究，有效的催化剂是降解污染物过程必不可少的材料。近几年，半导体作为光催化剂运用于光催化反应取得显著进展，其中，半导体TiO2具有成本低、无毒、光催化活性高、化学稳定性强等特点，能降解有机分子为无毒的二氧化碳和水。但大的带隙能和光生电子-空穴对容易复合限制了TiO2光催化活性。掺杂的TiO2会产生次级吸收带，降低带隙能，促进电子-空穴对的有效分离，进而提高光能利用率。本论文采用La3+、S单掺和La3+、S共掺的方法，在一定程度上提高TiO2光催化活性。与传统纳米纤维的合成方法相比，静电纺丝法有简单易行、成本低以及可控性强等优势，制备的纳米纤维比表面积大、孔隙率高和吸附性强，应用于光催化和自清洁等方面。本文以钛酸四丁酯和聚乙烯吡咯烷酮为原料，利用静电纺丝法制备掺杂的TiO2纳米纤维。利用XRD、SEM和UV/Vis光谱测试手段对所合成样品的结构、形貌和光催化活性进行表征。对比不同温度焙烧1.5mol%La/TiO2纳米纤维的结构、形貌和光催化活性，得到最佳焙烧温度为600℃。随着La3+掺杂量的增加，锐钛矿相衍射峰变的宽且低，粒径减小，La3+的掺杂明显抑制TiO2的相转变，提高相转变温度。La3+的掺杂增加了TiO2中氧空位和表面缺陷数量，捕获光生电子，抑制电子和空穴的复合，提高光催化活性。当La/Ti摩尔比为1.5mol%时，光催化活性最高。S的掺杂抑制锐钛矿相向金红石相的转变，随着S含量的增加，锐钛矿型TiO2(101)衍射峰宽度逐渐宽化，且都宽于纯TiO2衍射峰，说明S的掺杂可以抑制TiO2晶粒生长。适量的S掺杂提高了TiO2光催化活性，最佳掺杂量为1wt%，然而，过多的S掺杂会破坏纤维形貌，呈现出片状，表面积下降，光催化活性降低。相比单掺TiO2，La3+、S共掺TiO2纳米纤维显示更优的光催化活性。这可能是La3+、S共掺的协同效应所致，不仅降低TiO2禁带宽度，有效地分离电子-空穴对，提高量子效率，而且产生较多强氧化性的羟基基团。
【作者】贺志霄；
【导师】李姝丹；
【作者基本信息】山西师范大学，化学，2014，硕士
【关键词】TiO2；掺杂；纳米纤维；光催化活性；

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