微-納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石墨烯基復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、金屬氧化物微/納米結(jié)構(gòu)材料，因其新穎的形貌和獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在近年來(lái)受到研究者的廣泛關(guān)注。作為一類(lèi)重要的寬帶隙半導(dǎo)體金屬氧化物，不同形貌和晶相結(jié)構(gòu)的TiO2一直是人們的研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，TiO2的形貌、暴露晶面和顆粒尺寸對(duì)其光催化性能、紫外屏蔽性能和電化學(xué)性能有著顯著影響。本論文圍繞微/納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石墨烯基復(fù)合材料的可控制備和其形貌、晶相組成、結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系，開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作，在獲得高性能微/納米結(jié)構(gòu)TiO2及其石

2、墨烯基復(fù)合材料的方面取得了創(chuàng)新性研究成果，其主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.我們通過(guò)一步水熱法在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的輔助下通過(guò)調(diào)整水熱反應(yīng)時(shí)間制備得到具有不同直徑的由一維納米棒構(gòu)成的三維微納米結(jié)構(gòu)花狀金紅石相TiO2微球，并研究了PVP水溶液的濃度和水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)最終產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)PVP溶液的濃度是保證合成形貌規(guī)整單分散花狀TiO2微球的關(guān)鍵，而在最佳的PVP濃度下通過(guò)調(diào)整水熱反應(yīng)時(shí)間可制備得到具有不同直徑的花狀T

3、iO2微球。合成的所有的這些具有不同直徑的花狀TiO2微球均顯示出了高于市售P25和銳鈦礦TiO2的紫外線屏蔽能力，并且這些三維TiO2微球的紫外線屏蔽性能隨著其單個(gè)微球直徑及表面納米棒的相對(duì)堆積密度的增加而呈現(xiàn)出規(guī)律性增加的趨勢(shì)。性能最優(yōu)的樣品(S-24h-C)不僅在能阻擋整個(gè)紫外光區(qū)域紫外線的同時(shí)在可見(jiàn)光區(qū)域也有好的透光率，而且顯示出了較低的光催化活性，是一種較有應(yīng)用前景的紫外屏蔽材料。
　　2.以異丙醇鈦(TTIP)和氧化石

4、墨(GO)為前驅(qū)體通過(guò)PVP輔助一步水熱法合成了三維花狀金紅石相TiO2微球修飾的石墨烯復(fù)合材料(FT/GN)，其中GO的還原和花狀微/納米結(jié)構(gòu)TiO2微球的形成同步進(jìn)行。此外我們還研究了PVP和反應(yīng)溫度對(duì)該復(fù)合材料形貌的影響，初步推測(cè)了該復(fù)合材料的形成機(jī)理。復(fù)合材料的吸附性能和光催化性能是通過(guò)在紫外光照射下去除溶液中羅丹明B(RhB)的實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估。發(fā)現(xiàn)與純的花狀TiO2相比，該FT/GN復(fù)合材料顯示出了對(duì)RhB高的吸附性能和紫外線光照

5、下高的光催化活性。當(dāng)GO添加量為8％時(shí)，F(xiàn)T/GN復(fù)合材料的光催化性能最優(yōu)，在紫外光照50 min時(shí)，對(duì)RhB的去除率為96.9%。重復(fù)使用4次后，去除率仍可達(dá)90.2%，有望在環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并為設(shè)計(jì)形貌可控、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的其他微/納米材料/石墨烯復(fù)合材料的制備提供了一條簡(jiǎn)單而有效的途徑。
　　3.本章沿用上一章中所提到的PVP輔助一步水熱法在控制鹽酸溶液濃度的情況下制備了石墨烯與微/納米結(jié)構(gòu)的混合晶相TiO2復(fù)合光催化劑(

6、TiO2/GN)。研究發(fā)現(xiàn)，鹽酸溶液濃度對(duì)最終得到的復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)和TiO2的晶相影響很大，當(dāng)鹽酸溶液濃度為3 mol/L時(shí)，得到的復(fù)合材料為高質(zhì)量的石墨烯和具有混合晶相微/納米結(jié)構(gòu)TiO2的組裝體。我們通過(guò)一些表征手段如XRD、SEM和TEM等證明了由直徑約為2-5 nm的納米顆粒組裝而成的TiO2微球均勻的分布在超薄的石墨烯層間，其中TiO2為金紅石和銳鈦礦的混合晶相。隨后以RhB溶液為目標(biāo)污染物對(duì)得到的不同GO添加量的TiO2