静电纺丝制备二氧化钛基复合纳米材料及其光催化性质研究

作     者：李育仁 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：兰伟

授予年度：2014年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：静电纺丝 复合纳米材料 NiO/TiO2 石墨烯-TiO2 光催化特性 

摘      要：静电纺丝技术作为一种简易、高效的制备纳米材料的方法,广泛用于制备纳米线、纳米管、纳米带等纳米结构材料。二氧化钛(Ti02)作为一种半导体光催化剂,在解决环境问题、开发利用新能源方面具有潜在应用。利用静电纺丝技术制备的二氧化钛基复合纳米光催化材料因其优异的性能被广泛应用于环境、能源等问题。本论文利用静电纺丝技术制备TiO2纳米线和纳米管光催化材料,将这两种纳米材料分别与氧化镍(NiO)、石墨烯(Graphene)复合制备复合纳米光催化剂,研究了复合光催化剂在紫外、可见光下光催化分解罗丹明B(RhB)的效率,并对其光催化机理进行分析和讨论。本文的主要研究内容有： 1、利用静电纺丝技术制备TiO2纳米线和纳米管光催化材料并研究其光催化性质。以钛酸四丁酯作为钛源,聚乙烯吡咯烷酮作为粘结剂,无水乙醇、N,N二甲基甲酰胺作为溶剂,配制的前驱物溶液静电纺丝得到Ti02纳米线。在Ti02纳米线的前驱物溶液中加入矿物油,高温静电纺丝得到TiO2纳米管。制备的TiO2纳米线表面光滑,直径分布比较均匀,具有较高的长径比;制备的Ti02纳米管具有多孔管状结构,且由TiO2纳米颗粒组成。所得Ti02纳米材料为锐钛矿相结构,具有较高的比表面积。在紫外光下光催化降解罗丹明B,表现出好的光催化活性。相比于Ti02纳米线,具有多孔管状结构和更高的比表面积的Ti02纳米管表现出更好的光催化性质。 2、基于静电纺丝制备的Ti02纳米线和纳米管,再通过一步溶液法制备NiO/TiO2P-N结复合纳米光催化剂。控制溶液的质量分数,制备出不同NiO含量的NiO/TiO2P-N结复合纳米材料。研究了不同NiO含量的NiO/TiO2P-N结复合纳米材料在紫外光下的光催化活性。当溶液质量分数为1.5%时,制备的NiO/TiO2P-N结复合纳米光催化剂具有最好的光催化效果。通过分析NiO含量对复合纳米材料光催化活性的影响,研究了NiO/TiO2P-N结复合纳米材料的光催化机理。随着NiO含量的增加,复合纳米光催化剂中锐钛矿相和金红石相的比例发生变化。NiO和TiO2形成的异质结结构,TiO2锐钛矿相和金红石形成的同质结结构,同时作用有效抑制了光生电子空穴的复合,共同提高了NiO/TiO2P-N结复合材料光催化剂的催化效率。 3、基于静电纺丝制备的TiO2纳米线和纳米管,结合Hummers法和水热法制备出石墨烯-二氧化钛纳米纤维(GR-TiO2NFs)和石墨烯-二氧化钛纳米管(GR-TiO2NTs)复合纳米光催化剂,统称为石墨烯-二氧化钛(GR-TiO2)复合纳米材料。GR-TiO2复合纳米材料对光的响应拓展至可见光区。相比于TiO2纳米材料,复合纳米材料在可见光下的光催化效果明显增强。研究了水热时间对复合纳米材料光催化效果的影响,发现水热时间为3h时可以获得光催化活性最高的GR-TiO2复合纳米光催化剂,而且GR-TiO2NTs样品的光催化活性比GR-TiO2NFs样品更高,这主要源于GR-TiO2NTs样品高的比表面积和限光效应。讨论了GR-TiO2复合纳米光催化剂的光催化机理。 本论文通过分析半导体光催化剂TiO2存在的问题,有针对性的提出了(1)制备NiO/TiO2P-N结复合纳米材料抑制光生电子空穴对复合;(2)制备GR-TiO2复合纳米材料将Ti02对光的响应拓展至可见光区,这两种方式来提高TiO2光催化剂的催化效率。结合实验结果讨论了不同结构的光催化剂的光催化机理。