可見光響應(yīng)的TiO2納米顆粒的制備、表征及光響應(yīng)特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化材料，尤其是銳鈦礦相二氧化鈦（TiO2），在解決環(huán)境污染與能源短缺方面表現(xiàn)出巨大的潛力。但是，銳鈦礦相TiO2由于受其帶隙寬度（3.2 eV）的限制，僅對太陽光中的紫外光有響應(yīng)。因紫外光占太陽光的含量不到5％，且紫外輻射對人體有一定損害，這在一定程度上限制了TiO2的實際應(yīng)用。近年來，人們采用多種方法，如元素摻雜、材料納米化等，來減小和調(diào)節(jié) TiO2的禁帶寬度，從而期望將其光學(xué)吸收邊從紫外區(qū)紅移至可見光區(qū)。因此，具有可見光響

2、應(yīng)TiO2的制備和相關(guān)性能研究是當(dāng)前國內(nèi)外的熱點課題。
　　本論文在調(diào)研和分析前人研究工作的基礎(chǔ)上，我們經(jīng)過研究首次發(fā)現(xiàn)，通過改變TiO2前驅(qū)物的煅燒氛圍，如選用非活性氣體-高純氮氣，可獲得顏色變化、禁帶寬度可以調(diào)節(jié)、具有可見光響應(yīng)的銳鈦礦相 TiO2。我們將該方法成功應(yīng)用于一系列微納尺度的TiO2顆粒，如納米顆粒、亞微米實心球、亞微米空心球、以及磁性可回收的復(fù)合顆粒等。我們系統(tǒng)地研究了此類顆粒的可見光響應(yīng)性能，如光吸收性能、光催

3、化活性、光電轉(zhuǎn)換性能等。本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點歸納如下：
　　1、采用溶膠-凝膠的方法，成功制備了單分散性TiO2亞微米實心球前驅(qū)物；并經(jīng)過隨后的高溫煅燒，獲得了銳鈦礦相的單分散 TiO2亞微米實心球。高溫煅燒的氣氛和溫度對樣品的顏色及光吸收特性有很重要的影響。實驗發(fā)現(xiàn)：空氣中煅燒的樣品呈白色，僅對400 nm以下的紫外光有強吸收，且?guī)缀醪浑S煅燒溫度變化；而高純氮氣中煅燒的樣品顏色隨煅燒溫度的升高，從淺灰色（400℃）變到灰

4、黑色（500-600℃）并最終變成黑色（800℃）。其光吸收特性顯示不僅對紫外光有強吸收，而且對可見光也有強吸收，且隨煅燒溫度的升高逐漸增強。進一步的實驗表明樣品顏色的變化是由于其禁帶寬度的減小而引起的。高純氮中煅燒的樣品，其禁帶寬度遠小于空氣中煅燒的樣品（3.19 eV），且隨煅燒溫度的升高逐漸變小，即從400℃的2.81 eV減小至800℃的1.63 eV。X射線衍射、拉曼光譜、X光電子能譜等表征分析均顯示實驗所得樣品為純銳鈦礦相T

5、iO2，且未發(fā)現(xiàn)摻有碳、氮等雜質(zhì)。光催化降解有機染料 RhB的實驗發(fā)現(xiàn)，黑色樣品在可見光和紫外光下的催化活性很低，而且即使是白色樣品，其紫外光催化活性也遠小于P25納米粉末?？赡茉蚴莵單⒚椎念w粒尺寸導(dǎo)致光生載流子的體內(nèi)復(fù)合幾率大大增加。
　　2、為了獲得高效的可見光光催化性能，采用溶膠法制備獲得了納米尺度的TiO2前驅(qū)物，并通過選用高純氮氣為高溫煅燒氛圍，獲得了具有可見光吸收的黑色TiO2納米粒子（尺寸約為22 nm）。其禁帶寬

6、度為2.05 eV，遠小于空氣中煅燒的樣品值（3.13 eV）。此類黑色TiO2納米粒子因小的顆粒尺寸和大的比表面積，可將光生載流子有效傳輸至顆粒表面降解有機染料分子，從而表現(xiàn)出了很強的可見光光催化活性。此類黑色 TiO2納米還可應(yīng)用于可見光催化分解水制氫和太陽能電池。
　　3、為了檢驗上述采用高純氮氣高溫煅燒制備可見光響應(yīng)TiO2的方法是否適用于其它微納結(jié)構(gòu)，我們采用模板法制備了TiO2亞微米空心球。采用與上述相同的高純氮氣高溫