基于TiO2纳米晶低温生长的Ag-TiO2光催化材料制备

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TiO2因其优异的光催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性以及安全无毒等特点,一直以来都是光催化领域研究的热点。然而单一TiO2存在着光响应范围窄、量子产率低等不足,严重限制了TiO2光催化剂的广泛应用。通过Ag与TiO2复合是提高TiO2光催化活性的有效途径之一,而且还可利用两者间的协同效应获得良好抗菌能力,因此受到了研究人员的普遍关注。本文基于TiO2纳米晶的低温生长技术,分别合成了锐钛矿型TiO2溶胶和大粒径锐钛矿型TiO2介孔球,并通过在溶胶中引入银离子以及液相条件下银离子原位还原等方法,制备出薄膜型和多孔大颗粒型两类具有较好光催化及抗菌综合性能的Ag-TiO2光催化材料,有效解决了纳米粉体型催化材料易团聚、难回收等应用问题。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)Ag-TiO2结晶薄膜的制备及性能研究采用溶胶-凝胶方法,对钛酸丁酯的水解-聚合过程进行控制,制备了锐钛矿型TiO2纳米晶溶胶,并在该溶胶体系中引入银离子。复合溶胶涂膜后,经热处理获得锐钛矿型掺银TiO2复合薄膜。考察了热处理温度、掺银浓度等因素对薄膜结构及性能的影响。研究表明:随热处理温度的升高,TiO2结晶度提高,并在500℃逐渐由锐钛矿型向金红石型转变,而Ag粒子在高温下则会发生团聚,以单质形式存在;当热处理温度为250℃时,复合薄膜具有较好的光催化活性;随着掺银量的提高,复合膜的光催化活性先增大后减小,在掺银量为5.0at%时,复合薄膜的光催化和抗菌等综合性能达到最优。(2)粒径可调的锐钛矿型TiO2介孔球的低温制备研究以乙二醇螯合钛酸丁酯作为前躯体,使其在含少量水(0.3~2.0%)的丙酮溶液中均匀形核、长大,合成单分散的无定形乙二醇钛先驱体球。在常压条件下,对该先驱体球进行热水回流处理,制备出锐钛矿型TiO2介孔球,并对制备机理进行了探讨。研究表明:通过调节前躯体的浓度可以将乙二醇钛球的粒径控制在200nm~500nm之间;在热水处理初期,无定形球表面开始变得粗糙并同时进行结晶,随着回流时间的延长,多孔结构从球体表面逐渐深入到内部,结晶度不断提高,但粒径变化不大,因此可以选用不同粒径的先驱体以实现对介孔球粒径的控制;400nm先驱体球经回流6h后,获得由锐钛矿型纳米晶(<15nm)组成的TiO2介孔球(平均孔径为8.31nm,比表面积为194.91m2/g);与P25粉相比,该介孔球具有较高的吸附性能和光催化活性。乙二醇钛先驱体球原位水解-聚合反应过程中的Ostwald熟化以及表面能效应是TiO2介孔结构和纳米晶形成的主要机制。(3)大粒径载银TiO2介孔球的制备及性能研究以粒径为400nm的TiO2介孔球为载体,分别采用光催化和原位化学还原法在其表面沉积Ag纳米颗粒,并考察了载银对材料结构与性能的影响。研究表明:负载的银以单质形式存在,不同载银量对TiO2结晶度有一定的影响,随负载量的增加,银粒子的平均粒径逐渐增大;所制备的Ag-TiO2介孔球普遍具有较好的吸附能力,但对于化学还原法制备的具有较高载银量(5wt%或10wt%)的样品,材料的吸附能力有所减弱;随载银量的增大,Ag-TiO2介孔球的紫外光催化活性与可见光催化活性表现出相类似的,先增强、后减弱的变化规律,当载银量为2.5wt%时,样品具有最佳的光催化和抗菌综合性能,这与以AgBr为先驱体光催化还原所制备样品的性能相当。
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