金属卟啉/TiO2纳米复合材料的制备、表征及光催化研究

作     者：李景泉 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘海波

授予年度：2006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：MTPP/TiO2 (M=Co, Zn, Cu) 原位合成 复合材料 可见光光催化 

摘      要：半导体TiO光催化剂研究和产业开发已经成为化学、化工、材料和环境科学等领域的研究热点,而TiO是宽带隙半导体(Eg=3.2eV),主要对波长小于350nm的紫外光有吸收,另外还存在光生电子-空穴对寿命短、光催化过程量子效率低等缺点。为此,国内外研究主要集中在通过掺杂或表面修饰等方法拓宽TiO光波长响应范围,并提高光催化量子效率。金属卟啉类化合物具有对光、热的良好稳定性,在可见光具有强吸收,已在光敏化TiO电极方面已有所报道,但在光敏化TiO催化领域尚未见文献报道。近年来,金属卟啉敏化TiO复合材料的制备主要用浸渍法或L-B膜方法,存在的问题是,制备的有机敏化剂分散不均,与TiO结合不牢,敏化效果不理想。 为提高光催化效率需采用新型敏化剂及新式制备方法,本文采用目标金属卟啉与TiO的源物质经溶胶-凝胶工艺与微波烧结工艺,使金属卟啉在TiO锐钛矿相形成过程中原位生成,制备了不同摩尔配比、不同烧结温度的纳米复合材料。通过对金属卟啉/TiO复合材料的晶相、配合物状态、配合物与TiO的界面特性、以及光物理特性的测量、表征,选择罗丹明B为待降解物,检测金属卟啉/TiO复合材料的光催化(15W节能灯光源)性能,以探讨可见光敏化机理。主要结果: (1)经过对所制备的ZnTPP/TiO、CoTPP/TiO纳米复合材料进行表征,确认了金属卟啉配合物与TiO在溶胶-凝胶过程中原位自组装形成,金属卟啉配合物轴向配位于锐钛矿相TiO表面,并形成化学键(Zn-O或Co-O),同时金属卟啉出现了较明显的畸变,Ti-O键强被削弱。 (2)烧结温度、金属卟啉与TiO之间不同摩尔配比对复合材料晶相、晶粒尺寸、配合物存在形式及光催化效率有重要的影响。400℃烧结4h、摩尔配比为1mol%ZnTPP/TiO、CoTPP/TiO纳米复合材料,其可见光光催化性能最佳,在150min内能使罗丹明B溶液降解率分别达到92%和87%。 (3)采用微波法原位合成CuTPP/TiO(摩尔配比为1mol%)纳米复合材料,确定了6分钟微波烧结中TiO为锐钛矿相;CuTPP与TiO之间形成较强的相互作用,并在TiO表面形成Cu-O键,在可见光照射下,此光催化剂在150min内能使罗丹明B的水溶液降解率达到75%。 (4)经过金属卟啉/TiO复合材料结构表征、光物理过程及光催化实验的研究,其光催化敏化机理为。经可见光照射后,在TiO晶粒表面金属卟啉首先吸收可见光,形成电子-空穴对,经M-O(M=Zn、Co、Cu)键促使光生载流子有效地分离,从而提高可见光光催化性能。