鈦直接氧化制備二氧化鈦納米線和空心多面體.pdf

1、本文利用雙氧水溶液直接氧化鈦金屬制備二氧化鈦(TiO2)納米線和空心多面體,研究其生長機(jī)理和光催化性能。
　　 以H2O2和冷軋純鈦片為反應(yīng)物,通過向H2O2中加入三聚氰胺及濃硝酸,調(diào)整工藝參數(shù),控制TiO2薄膜的低溫生長,成功獲得TiO2納米線陣列薄膜;通過向H2O2中加入NaF及濃硝酸,輔以適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)熱處理和水洗處理,成功獲得TiO2多面體;雙氧水溶液中同時添加NaF、三聚氰胺和HNO3,經(jīng)后續(xù)熱處理后則直接獲得TiO2空心

2、多面體。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、高分辨透射電子顯微鏡、X射線衍射、紫外.可見漫反射、激光拉曼光譜、X射線光電子譜、熱重分析、低溫N2吸附等測試手段分析納米結(jié)構(gòu)TiO2的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及其光響應(yīng)行為,探討其生長機(jī)理,研究其輔助降解水中若丹明B(RhB)染料的能力。
　　 論文取得主要結(jié)果如下:
　　 1.TiO2納米線:研發(fā)了一種在金屬鈦基體上制備TiO2納米線陣列的技術(shù),過程簡單易工業(yè)化,重復(fù)性好,不需要模板和催化劑。80

3、℃反應(yīng)溫度下,鈦金屬被H2O2腐蝕氧化,在金屬表面形成非晶結(jié)構(gòu)TiO2多孔薄膜的同時,向溶液中釋放水合Ti(Ⅳ)離子。溶液中水合Ti(Ⅳ)離子濃度達(dá)到一臨界值后,在金屬表面TiO2多孔薄膜處非均勻形核析出TiO2。另一方面,在較強(qiáng)的酸性環(huán)境下,溶液中的三聚氰胺分解為三聚氰酸,并通過-OH的橋梁作用吸附在TiO2納米晶表面。由于不同晶面-H密度的差異,三聚氰酸可以在TiO2納米晶表面實(shí)現(xiàn)選擇性吸附,最終導(dǎo)致從溶液中析出的TiO2納米晶(盡

4、管結(jié)晶度較差)以“定向融合”機(jī)制自組裝形成平均直徑為25 nm,長徑比大約為40的納米線陣列。后續(xù)450℃空氣中熱處理顯著提高TiO2納米線陣列的結(jié)晶程度。光催化性能測試結(jié)果表明,銳鈦礦TiO2納米線陣列光催化降解水中若丹明B的能力顯著優(yōu)于商業(yè)P25 TiO2納米粉。
　　 2.TiO2(空心)多面體:在Ti和H2O2反應(yīng)體系中添加NaF和HNO3,80℃溫度下反應(yīng)10 min～96 h,在鈦金屬表面生成Na33TiF6多面體。

5、反應(yīng)進(jìn)行到30 min時,主要生成立方體;隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行,立方體八個頂點(diǎn)被截去,逐漸演化為八面體結(jié)構(gòu)。后續(xù)熱處理過程中,大部分Na3TiF6多面體在209℃開始發(fā)生氧化反應(yīng),分解為TiO2和NaF,其中的TiO2為厚度約20 nm的薄片,垂直交叉構(gòu)成多面體。經(jīng)進(jìn)一步水洗去除NaF和殘留的Na3TiF6后,獲得TiO2多面體,其比表面積為196.3m2/g,間接禁帶寬度為3.11 eV,具有明顯的光催化效果。雙氧水溶液中同時添加NaF