基于單晶TiO2納米棒陣列的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及改性對(duì)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(shí)，也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)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(jī)物（VOCs）氣體。長(zhǎng)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(xiǎn)。在針對(duì)VOCs氣體的降解治理中，TiO2因其無(wú)毒性、制備簡(jiǎn)單、化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良、抗光腐蝕，尤其是能通過(guò)光催化作用降解絕大多數(shù)VOCs氣體等優(yōu)點(diǎn)，有著重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。
　　傳統(tǒng)研究對(duì)象多為Ti

2、O2納米顆粒，因其量子效應(yīng)、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(wèn)題，如過(guò)高的表面能會(huì)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，有效的光反應(yīng)面積減少，光生電子空穴復(fù)合嚴(yán)重。而通過(guò)模版法雖然能控制顆粒粒徑有效避免團(tuán)聚，但是往往制模脫模工藝復(fù)雜，成本較高。而且TiO2納米顆粒因其內(nèi)部是極弱的機(jī)械結(jié)合，故很難負(fù)載到器件上，限制了實(shí)際應(yīng)用。因而我們選擇以FTO導(dǎo)電玻璃為基體，采用簡(jiǎn)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(shí)也能有效避免團(tuán)聚，便于負(fù)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(guò)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(lái)越密，而且頂端暴露面即活性最高的(002)面的比例越來(lái)越高。然而測(cè)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(qiáng)。棒陣列過(guò)疏或過(guò)密都不利于光的吸收，適中的棒陣列密度由于光陷作用對(duì)光的吸收

4、能力更強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的光電流值更大，載流子復(fù)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(jìn)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?yàn)镠2O的脫附為降解過(guò)程中

5、產(chǎn)生的中間產(chǎn)物提供了更多的反應(yīng)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?cè)赥iO2納米棒陣列負(fù)載具有催化效果的半導(dǎo)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(fù)合的TiO2納米棒陣列。Ce的可變價(jià)性使其提供了更多的氧空位和Ce3+反應(yīng)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(yīng)生成羥基自由基(·OH)，捕獲的光生電子一部分與