二氧化钛及其复合材料的制备与应用研究

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随着人类社会的发展,环境污染日益成为威胁人类生存的全球性问题。其中人类活动产生的有机污染物是比较典型的一种污染源。鉴于太阳能无污染和取之不尽的特点,以太阳能为能量来源,通过光催化过程降解有机污染物对于环境净化具有重要意义。因此,开发高效、稳定、廉价的催化剂是实现光降解有机物的关键。在众多的催化剂材料中,二氧化钛(YiO2)以其高化学稳定性、来源丰富、成本低廉等优点,被认为是较为理想的选择之一。然而,TiO2的高禁带宽度和光生载流子复合等缺点,严重限制了TiO2对太阳光的利用效率。同时,TiO2材料的光催化活性也会受到本身的形貌和晶面取向的影响。因此,基于上述研究背景,本文拟通过制备特殊形貌和晶面取向的新型YiO2,并构建TiO2基复合材料,获得高效的光催化材料,最终提升YiO2光降解有机物的性能。具体的研究工作总结如下:  一、针对常见的激素干扰剂一双酚A,基于“有机钛源在β型环糊精囊泡亲水表面的定向水解”的合成策略,设计制备出了TiO2/β-cyclodextrin双环复合物。具体来讲,利用β型环糊精在溶剂中倾向于形成囊泡,同时会暴露一个共享的亲水外侧表面的特性,通过在表面引入微量水,来实现有机钛源在囊泡表面的定向水解,制备出了TiO2/β-cyclodextrin双环复合物。运用TEM、SEM、XRD、FTIR、TGA、UV-vis等表征手段,对复合材料的物化性质进行了分析,发现其结构为双环结构(其中,内环为YiO2,外环为环糊精)。通过性能测试,发现TiO2/β-cyclodextrin双环复合物对双酚A的光降解性能比同等条件下合成的纯TiO2高4.5倍。  二、碳材料以其优良的导电性常常被用于YiO2复合材料的制备,从而实现光催化材料中光生载流子的高效分离和快速迁移。基于抗坏血酸在水热环境中自催化碳化和TiO2在水热环境中的晶体生长的特性,利用F原子氢键的键接锚定作用,使抗坏血酸锚定在TiO2晶种表面,从而通过水热反应法制备出TiO2与碳的复合材料。通过系统的结构表征,发现产物为具有卵形结构的碳包覆{001}面主导YiO2复合体。此外,通过调节抗坏血酸的添加量,实现了卵形复合物中碳层厚度在一定范围内的有效调控。最后,通过光催化降解甲基橙(Methyl Orange,MO)实验,发现制备出的YiO2/C复合物的光催化降解能力较纯TiO2有明显的提升。  三、采用溶剂热法,通过调控反应时间和HF的加入,在乙酸反应体系中制备出了TiO2球形颗粒、梭形纳米颗粒和纳米片。通过SEM和TEM测试,系统表征了产物的微观形貌;XRD测试结果表征其晶体结构为锐钛矿型的TiO2。为了探究YiO2材料的应用性能,以MO为目标降解物,进行了光降解性能测试,结果具有表明纳米片形貌的TiO2具有较球形、梭形的TiO2更加优异的性能。
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