基于單晶TiO2納米棒陣列的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及改性對光催化性能的影響.pdf

1、工業(yè)文明的飛速發(fā)展在帶提升人類生活質(zhì)量的同時，也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題。尤其是化工原料的使用往往釋放出很多如苯、甲醛這樣難降解的揮發(fā)性有機物（VOCs）氣體。長期暴露在這樣的氣體環(huán)境下，人類可能面臨呼吸道疾病，甚至白血病和致癌的危險。在針對VOCs氣體的降解治理中，TiO2因其無毒性、制備簡單、化學穩(wěn)定性優(yōu)良、抗光腐蝕，尤其是能通過光催化作用降解絕大多數(shù)VOCs氣體等優(yōu)點，有著重要的研究價值和應用前景。
　　傳統(tǒng)研究對象多為Ti

2、O2納米顆粒，因其量子效應、比表面積大而表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能。然而納米顆粒也存在諸多問題，如過高的表面能會導致顆粒團聚嚴重，有效的光反應面積減少，光生電子空穴復合嚴重。而通過模版法雖然能控制顆粒粒徑有效避免團聚，但是往往制模脫模工藝復雜，成本較高。而且TiO2納米顆粒因其內(nèi)部是極弱的機械結(jié)合，故很難負載到器件上，限制了實際應用。因而我們選擇以FTO導電玻璃為基體，采用簡單的水熱合成方法制備單晶的TiO2納米棒陣列。單晶結(jié)構(gòu)有利于光生載

3、流子的分離，同時也能有效避免團聚，便于負載形成器件。
　　首先，本文調(diào)控出具有最佳光催化性能的單晶TiO2納米棒陣列疏密度。通過調(diào)控水熱溶液中鹽酸濃度發(fā)現(xiàn)，隨著鹽酸濃度的降低，納米棒陣列的排布越來越密，而且頂端暴露面即活性最高的(002)面的比例越來越高。然而測試TiO2納米棒陣列的光催化降解氣相苯的性能發(fā)現(xiàn)，光催化性能并不隨著高活性暴露面的比例的增加而增強。棒陣列過疏或過密都不利于光的吸收，適中的棒陣列密度由于光陷作用對光的吸收

4、能力更強，對應的光電流值更大，載流子復合最弱，光催化性能更好。
　　隨后，我們研究了TiO2納米棒陣列在光熱聯(lián)合作用下的催化性能。結(jié)果表明光熱聯(lián)合催化性能明顯優(yōu)于光催化和熱催化。這證明了光熱聯(lián)合催化存在協(xié)同作用。光熱協(xié)同作用降低了苯被氧化的活化能，促進降解速率。然而溫度的升高又使TiO2表面的H2O發(fā)生脫附從而減少與苯作用的·OH，故降解速率隨溫度升高先增大后減小。而降解生成的CO2含量卻不斷升高，這是因為H2O的脫附為降解過程中

5、產(chǎn)生的中間產(chǎn)物提供了更多的反應活性位，使更多的中間產(chǎn)物因光氧化作用而被氧化成CO2，故礦化率隨著溫度升高而增大。
　　最后，我們在TiO2納米棒陣列負載具有催化效果的半導體氧化物CeO2納米顆粒。采用水熱方法制備不同比例的CeO2納米顆粒復合的TiO2納米棒陣列。Ce的可變價性使其提供了更多的氧空位和Ce3+反應活性位，作為光生電子捕獲中心，氧空位與催化劑表面吸附的H2O或OH－反應生成羥基自由基(·OH)，捕獲的光生電子一部分與