黑tio2的制備及其光催化性能研究論文答辯

1、2017-6-14,1,黑TiO2的制備及其光催化性能研究,姓 名：王佳瑤 專 業(yè)：環(huán)境工程 指導(dǎo)教師：張秀芳,2,論文章節(jié),,,,,結(jié)論,實驗機理,實驗結(jié)果和討論,實驗內(nèi)容,選題的研究目的及意義,3,1. 論文研究背景、目的與意義,TiO2光催化材料的優(yōu)缺點,4,1. 論文研究背景、目的與意義,目的與意義：隨著社會的發(fā)展和能源的消耗，環(huán)境污染問題越來越嚴重，半導(dǎo)體光催化劑是是解決問題

2、的有效途徑，二氧化鈦，無毒、多功能半導(dǎo)體材料，有效利用紫外線等優(yōu)良性能。然而，由于其高帶隙寬度（銳鈦礦3.2eV）和快速電子空穴復(fù)合率，其光催化性能非常有限，黑色二氧化鈦的出現(xiàn)大大改善了傳統(tǒng)二氧化鈦這兩個缺點，而兩者的結(jié)合可以大大提高簡單材料的光催化性能和光催化效應(yīng)。,5,2. 實驗內(nèi)容,70ml去離子水,0.7g抗壞血酸,,,攪拌10min,混合溶液,加入3.1ml TiCl3溶液,,180℃條件下水熱反應(yīng)12h,,離心，水洗，醇洗,

3、干燥80℃，8h,,研磨得黑TiO2,,,黑TiO2的制備流程圖,6,2. 結(jié)果與討論,純相TiO2和黑TiO2的XRD對比圖,圖上無孔純相TiO2的衍射峰強比多孔黑TiO2稍高一些，這表明無孔純相TiO2的結(jié)晶度比多孔黑TiO2稍強一些。,2. 結(jié)果與討論,7,,圖（a）是在5.8mm×11.00k下的無孔純相TiO2的形貌圖；圖（b）是在 5.8mm×5.5k下的多孔黑TiO2的形貌圖；圖（c）是黑TiO2的形貌

4、圖；圖（d）是能譜儀圖,從圖(a)(b)中可以看出樣品純相TiO2和黑TiO2的形態(tài)為長方體，粒徑都小于10nm，隨著顏色的變化，黑TiO2粒徑減小，從圖(c)可以看出黑TiO2形貌圖呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu)。從圖(b)和(d)可以得出黑TiO2樣品經(jīng)過在抗壞血酸的還原條件下，樣品晶體表面出現(xiàn)了較厚的無序外殼結(jié)構(gòu)，由于表面缺陷所形成的無序外殼使其樣品由白色變?yōu)楹谏?。圖(d)為黑TiO2的EDS圖，通過EDS可以間接的證實黑TiO2僅僅是由Ti和O

5、組成，暗示了TiO2核周圍呈現(xiàn)表面缺陷結(jié)構(gòu)的TiO2。,8,2. 結(jié)果與討論,,純相TiO2和黑TiO2的DRS譜圖,可以看出純相TiO2的吸收光譜只存在于紫外區(qū)，可見區(qū)域內(nèi)沒有明顯的吸收。相比于純相TiO2，黑色TiO2光催化劑的吸收帶大于420nm，比純相TiO2大，其吸收范圍擴展到可見區(qū)域。結(jié)果表明，摻雜Ti3+的存在大大提高了可見光的吸收，使黑TiO2在可見光下具有更好的光催化性能。,9,2. 結(jié)果與討論,,無孔純相TiO2和多

6、孔黑TiO2的N2吸附脫附等溫曲線和孔徑分布,添加抗壞血酸有利于孔結(jié)構(gòu)的形成，為轉(zhuǎn)移反應(yīng)物提供方便、有效的途徑，比表面積增大后，提供更多的反應(yīng)空間，光生載流子容易擴散，有利于電子—空穴的傳遞，進而光催化性增強。,10,2. 結(jié)果與討論,,純相TiO2和黑TiO2的光催化降解效率光譜圖,多孔結(jié)構(gòu)能大大提高其光催化性能。是因為多孔結(jié)構(gòu)提供了孔道，大大增加了黑TiO2的比表面積，更多孔道作為光子捕獲路徑，讓更多光子分布到光催化劑顆粒表面上，促

7、進光子吸收，進而提高光催化劑吸光性。另外，黑TiO2的無序結(jié)構(gòu)捕獲光生電子提供空穴，能夠提高多孔黑TiO2的光催化活性。,11,3. 復(fù)合實驗,,黑TiO2的復(fù)合,12,不同反應(yīng)溫度條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)溫度制備的黑TiO2復(fù)合體的XRD圖,在不同溫度條件下復(fù)合形成的黑TiO2復(fù)合體，他們的衍射峰和黑TiO2和純相TiO2的特征衍射峰位置相同，溫度改變，出峰位置并不會偏移。復(fù)合體的衍射峰的峰值明顯高于B-

8、TiO2和W-TiO2，衍射峰變得更加尖銳。而且，各個B-TiO2/W-TiO2復(fù)合材料的衍射峰，都比黑TiO2的衍射峰高。,13,不同反應(yīng)溫度條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)溫度制備的黑TiO2復(fù)合體的DRS圖,B-TiO2高于復(fù)合材料對可見光響應(yīng)，由于B-TiO2顏色過深造成吸光能力最強，不同溫度的B-TiO2/W-TiO2在可見區(qū)有很高效應(yīng)，而且復(fù)合之后可見光吸收性能均較好。,14,不同反應(yīng)溫度條件下制備的黑

9、TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)溫度制備的黑TiO2復(fù)合體的熒光譜圖,W-TiO2有最強熒光發(fā)射峰，說明其光生電子和空穴具有較高復(fù)合率，而復(fù)合光催化劑B-TiO2/W-TiO2的峰較其比較弱，表明復(fù)合光催化劑形成的同質(zhì)結(jié)能夠促進電子和空穴的分離。,15,不同反應(yīng)溫度條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)溫度制備的黑TiO2復(fù)合體的光催化性能分析圖,最佳反應(yīng)溫度是180℃。一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高，結(jié)晶度增加，光催

10、化效率隨之增加。一旦溫度過高，因為催化劑晶粒增大，可能產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象，孔道倒塌，光催化劑的比表面積減少，造成光催化效率降低。而且，反應(yīng)溫度過高使光催化劑表面光滑度增加，有降低其催化效率的可能。,16,不同反應(yīng)PH條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)PH制備的黑TiO2復(fù)合體的XRD圖,在不同PH條件下復(fù)合形成的黑TiO2復(fù)合體，他們的衍射峰和黑TiO2和純相TiO2的特征衍射峰位置相同，PH改變，出峰位置不會隨之偏移。隨

11、著PH的增加，復(fù)合體的衍射峰的峰值隨之增加，衍射峰變得更加尖銳。而且，各個B-TiO2/W-TiO2復(fù)合體的衍射峰都高于黑TiO2。,17,不同反應(yīng)PH條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)PH制備的黑TiO2復(fù)合體的DRS圖,隨著反應(yīng)PH升高，黑TiO2復(fù)合體光催化劑的吸收帶邊移動向長波方向，隨著PH的進一步升高，短波方向和長波方向的吸收帶整體下降。,18,不同反應(yīng)PH條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同

12、反應(yīng)PH制備的黑TiO2復(fù)合體的熒光譜圖,PH等于4時，熒光發(fā)射峰強度最低，而PH等于1和9的峰較其比較高，表明其光生電子和空穴較易復(fù)合，復(fù)合黑TiO2在PH等于4時最能促進電子和空穴的分離。,19,不同反應(yīng)PH條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同反應(yīng)PH制備的黑TiO2復(fù)合體的光催化性能分析圖,在黑TiO2對羅丹明B的降解率大于PH等于1和9的復(fù)合體，只有PH等于4時，黑TiO2對羅丹明B的降解率小于復(fù)合體，Saha和T

13、anaka研究者[36]對PH對TiO2的影響認為，PH值在3.8至6.8之間，能帶位置最好和顆粒有所減小。從圖中看出當(dāng)PH等于4時，光催化效果是最好的。,20,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體的XRD圖,黑TiO2復(fù)合體的各衍射峰的峰高比黑TiO2的衍射峰的峰高略有升高、鈍化的趨勢。,21,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同復(fù)合比例條件下制備

14、的黑TiO2復(fù)合體的DRS圖,由圖可以看出，在可見光區(qū)域，純相的TiO2光催化劑的光吸收性能最差，總體來說，在一定范圍內(nèi)隨著黑TiO2含量的增加，光吸收性能隨之增強。吸光最強為添加量為0.6g時的B-TiO2/W-TiO2。,22,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體的熒光譜圖,從圖看出含量為0.6g的黑TiO2復(fù)合體的熒光發(fā)射峰較弱，而0.4g和0.8g的峰比它強，說明黑T

15、iO2含量為0.4和0.8時其光生電子和空穴較易復(fù)合，而黑TiO2含量為0.6g時的復(fù)合體最能促進電子和空穴分離。,23,不同復(fù)合比例條件下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化劑的表征,,不同復(fù)合比例下制備的黑TiO2復(fù)合體光催化性能分析圖,純相TiO2光催化效果最差，含量為0.6g時制備的黑TiO2復(fù)合體光催化效果最佳。,24,B-TiO2/W-TiO2同質(zhì)結(jié)機理,黑TiO2缺陷圖,B-TiO2/W-TiO2同質(zhì)結(jié)機理圖,25,結(jié)論,,1.B

16、-TiO2/W-TiO2復(fù)合光催化劑可形成同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)比較獨特的能帶結(jié)構(gòu)和載流子B-TiO2與W-TiO2的復(fù)合在可見光下對羅丹明B的降解效率比W-TiO2和B-TiO2要高，說明B-TiO2/ W-TiO2復(fù)合光催化劑能夠有效阻止電子和空穴復(fù)合，增加量子效率。促進光生電子與空穴的分離，從而提高光催化效果。2.當(dāng)B-TiO2質(zhì)量為0.6g，pH為4，溫度為180oC的時候，降解的羅丹明B溶液為10mg/L，催化劑為最佳用量0.25