静电纺丝法合成改性TiO2纳米材料及其光催化性能研究

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近年来,由于科技的发展,每年都会有大量含有有机合成染料的工业废水产生,从而对环境造成污染。为了解决这一难题,人们采用一系列的物理、化学手段对废水进行治理,但是效果甚微。半导体光催化技术是在光照时形成电子-空穴的基础上,利用迁移到半导体表面的光生电子和空穴进行氧化还原反应,以降解有机污染物或分解水制氢为目的的一种技术。其中,TiO2由于化学性质稳定、安全、无污染、成本低等优点而备受重视,是目前应用研究最普遍的纳米光催化材料之一。但是,TiO2本身的宽带隙降低了其对太阳光的利用率。因此,如何改善TiO2对太阳光吸收率,提高其在可见光下的光催化活性,已成为目前光催化领域的研究热点。针对这些难题,本文对TiO2纳米材料进行半导体复合改性,采用溶胶-凝胶过程、静电纺丝技术、水热合成相结合的方法,将ZnxCd1-xS固溶体与TiO2纳米纤维进行复合成功制备了一种新型的复合异质光催化材料,并对其光催化活性进行了探讨研究。具体研究内容如下:(1)以静电纺丝技术制备的纯TiO2纳米纤维为基质,利用水热合成法制备了具有异质结构的ZnxCd1-xS/TiO2复合光催化剂,并初步探讨了复合光催化剂的光催化机理及其生长机理。结果表明:ZnxCd1-xS固溶体与TiO2纳米纤维的复合可以有效改善TiO2纳米纤维可见光下的光谱响应及其可见光催化活性。进一步对水热温度和水热时间进行了优化,发现这两个因素对光催化活性均有明显的影响,并在水热温度为200℃,水热时间为24h时,光催化剂的光催化活性分别达到最佳,同时发现ZnxCd1-xS固溶体的负载量和Zn/Cd在ZnxCd1-xS/TiO2复合光催化剂光催化活性大小方面起着重要作用。(2)通过电纺-水热联用法制备ZnxCd1-xS/TiO2复合异质结光催化剂,利用XRD、UV-vis DRS、SEM、EDS等对光催化剂的结构、微观形貌、吸光性能等进行表征,通过改变x值考察不同x值对光催化剂光催化性能的影响,结果发现当x值为0.6时,ZnxCd1-xS/TiO2复合光催化剂的光催化活性最佳。接着进一步研究了TiO2基体晶型的变化对Zn0.6Cd0.4S/TiO2复合光催化剂的光催化活性的影响,结果表明:煅烧温度为500℃时,TiO2纳米纤维是锐钛矿为主的混合晶型,其水热后的复合光催化剂Zn0.6Cd0.4S/TiO2具有较好的光催化性能。(3)以TiO2为基体反应物,通过水热法将Zn0.6Cd0.4S固溶体负载到TiO2纳米纤维上,得到Zn0.6Cd0.4S/TiO2复合光催化剂。通过改变Zn0.6Cd0.4S负载量、S源浓度,考察光催化剂自身元素浓度变化对Zn0.6Cd0.4S/TiO2复合光催化剂的光催化性能的影响。同时,利用XRD、SEM、UV-vis DRS等对光催化剂的结构、微观形貌、吸光能力等进行分析,并以RB为模拟有机污染物进行光催化降解实验。结果表明,当Zn0.6Cd0.4S负载量(与TiO2的摩尔比)为1,S源浓度(与TiO2的摩尔比)为1时,Zn0.6Cd0.4S/TiO2复合光催化剂的光催化性能最佳。同时发现,Zn0.6Cd0.4S/TiO2复合光催化剂的光催化降解能力与S/Ti、Zn/Cd和带隙有关。
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