三维多孔TiO2及TiO2/g-C3N4异质结的制备及光催化性能研究

作     者：姜珊 

作者单位：东北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邵长路

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 081705[工学-工业催化] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：半导体光催化剂 真空冷冻干燥法 三维多孔 TiO2 TiO2/g-C3N4异质结 

摘      要：半导体光催化技术因具有安全高效、绿色环保等优点,在环境保护方面具有重要应用。随着纳米技术的快速发展,纳米光催化剂的高比表面积、小尺寸效应、量子限域效应等特点提高了光催化活性,逐渐成为了研究热点。在各类光催化材料中,纳米TiO因其成本低廉,环境友好,优异的光催化活性等优点得到广泛应用。但是纳米TiO面临着以下问题:首先,纳米材料因其尺寸小易团聚,降低了比表面积和光催化活性,且小尺寸不利于反应结束后的分离回收,难以循环使用;其次,TiO自身太阳光利用率低,光生载流子易复合,致使光催化活性较弱。针对上述问题,本文首先采用高分子辅助的真空冷冻干燥技术,结合高温煅烧法,制备自支撑型三维多孔TiO。利用其三维多孔和高比表面积,提高传质速率和光催化活性,三维宏观大尺寸的结构优势解决易团聚、难分离的问题。在此基础上,进一步利用气固相反应法制备三维多孔TiO/g-CN异质结,增强可见光响应的同时抑制光生电子-空穴对的复合,以提高全光谱下的光催化活性。具体研究内容如下:(1)三维多孔TiO的制备及光催化性能的研究。以钛酸四正丁酯(TBT)、草酸、高分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合物水凝胶为前驱物,经过真空冷冻干燥过程制备三维多孔TiPVP前驱体杂化材料,结合高温煅烧法制备三维多孔TiO。研究结果表明,随着高分子含量的增加,孔道更加紧密,横向孔道增多,随着水含量的增加,孔道更加稀疏直至消失,比表面积降低;与烘干相比,冻干可以保留凝胶体系中的三维网络骨架;最终得到兼具微孔、中孔、大孔的三维多孔结构,以上结果均证明形貌和孔结构可调控。样品在紫外光辐照条件下进行了降解罗丹明B的光催化测试,结果表明三维多孔TiO的光催化活性优于TiO纳米颗粒,前者的一级速率常数是后者的1.8倍。这归因于三维多孔结构更利于吸附和传质,连续的纳米结构利于界面电荷转移。此外,宏观自支撑结构利于反应结束后的分离回收,增强了实用性。(2)三维多孔TiO/g-CN异质结光催化剂的制备及光催化性能的研究。采用气固相反应法,以三聚氰胺为氮源,三维多孔TiO为载体,制备了三维多孔TiO/g-CN复合材料,并研究了g-CN负载量对光催化性能的影响。在全光谱条件下对罗丹明B和盐酸四环素的光催化性能研究发现,异质结的光催化性能优于纯TiO和纯g-CN,其中异质结TCN-2降解罗丹明B的一阶速率常数分别是TiO和g-CN的10倍和6倍;降解盐酸四环素的一阶速率常数分别是TiO和g-CN的9.3倍和5.6倍,这是由于异质结构光生载流子的有效分离,以及增强的可见光响应。同时,随着g-CN的固载量的增加,异质结的光催化活性先增高后降低,这与异质结的可见光响应能力和异质结界面接触有关。此外,研究表明三维多孔TCN-2对罗丹明B和盐酸四环素的降解速率常数是纳米颗粒TCN-2 NPs的3.7倍和2.1倍,这归因于TCN-2丰富的孔结构和异质结界面的良好接触。循环和沉降实验表明三维多孔TiO/g-CN异质结具有良好的化学稳定性和沉降特性。