纳米TiO2/MOFs复合材料的制备及其光催化性能研究

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光催化氧化技术是去除水体污染物的主要方法之一,能够有效地缓解环境保护与经济发展之间的矛盾。光催化剂是光催化技术的核心,在诸多光催化剂中,Ti O2具有无毒,经济成本低,性质稳定等优势,是最具有实际应用前景的光催化材料。但其仅对紫外光具有响应能力,对可见光的响应能力较弱。此外,Ti O2自身易团聚,吸附能力差,电子-空穴复合率高使其应用受到限制,所以制备复合材料提升Ti O2的性能对于促进Ti O2材料在水处理环保领域应用具有重要的意义。近年来,金属有机框架材料(MOFs)以其独特的结构及性能优势被应用于光催化领域。基于此,本文将Ti O2与结构稳定,孔隙丰富的MOFs材料复合,提升催化剂对污染物分子的吸附能力,光吸收能力以及促进电子-空穴的分离。得到的Ti O2/MOFs复合光催化剂具有优异的光催化氧化降解性能,并对性能提升机理进行探究,具体研究结果如下:(1)以钛酸四丁酯为钛源,采用水热法制备了Ti O2纳米颗粒,通过改变煅烧温度得到了不同晶型的Ti O2。之后采用简单的超声组装-溶剂蒸发法制备了不同复合比例的Ti O2/Ui O-66(UT)复合材料,并采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、UV-vis漫反射光谱、荧光发射光谱(PL)等表征对复合材料进行探究。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到Ti O2分散在Ui O-66正八面体表面,更有利于催化活性位点暴露,超声处理在不破坏Ui O-66载体结构的同时使其表面变的更加粗糙;比表面积测定(BET)结果发现UT复合材料比表面积高达205.65 m~2/g是Ti O2单体的4倍,极大的提高了催化剂的吸附能力。在紫外光照射下,不同Ti O2单体中,锐钛矿相Ti O2具有最为优异的光催化降解罗丹明B(Rh B)效率;不同比例的复合物中,UT30/100催化性能最优异,60 min对Rh B的催化降解效率达99.07%,并且在循环使用5次后仍然保持完整的结构。这是因为Ui O-66材料具有丰富的孔隙和稳定的结构,Ti O2负载在Ui O-66上,二者形成吸附-光催化降解协同作用,使其具有优异的光催化降解性能及循环使用寿命。(2)以钛酸异丙酯为钛源,2-氨基对苯二甲酸为配体合成了NH2-MIL-125,并与Ti O2复合得到Ti O2/NH2-MIL-125(NMT)复合材料。研究了不同的复合比例与催化剂添加量对光催化降解Rh B性能的影响。UV-vis漫反射光谱表明-NH2的引入可以有效的将催化剂的光响应范围扩展至可见光区域。通过透射电子显微镜(TEM)证实了复合后Ti O2颗粒的团聚现象得到明显改善,在可见光照射下,NMT复合材料对Rh B的催化降解效率是Ti O2单体的6.6倍,这除了归因于NMT复合材料高效的吸附性能外,还得益于光生电子-空穴的有效分离,PL光谱和瞬态光电流测试结果均证实这一点。另外通过对自由基捕获实验发现NMT光催化体系中,羟基自由基(·OH)是最主要的反应活性物质,并根据Mott-Schottky曲线得出催化剂的导带电位,对催化体系中·OH的来源进行探究,分析得出NMT复合材料的Z型电子转移机制。
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