TiO2复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

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全球性环境保护已逐渐成为关注的热点,污染物的降解引起广泛研究,有效的催化剂是降解污染物过程必不可少的材料。近几年,半导体作为光催化剂运用于光催化反应取得显著进展,其中,半导体TiO2具有成本低、无毒、光催化活性高、化学稳定性强等特点,能降解有机分子为无毒的二氧化碳和水。但大的带隙能和光生电子-空穴对容易复合限制了TiO2光催化活性。掺杂的TiO2会产生次级吸收带,降低带隙能,促进电子-空穴对的有效分离,进而提高光能利用率。本论文采用La3+、S单掺和La3+、S共掺的方法,在一定程度上提高TiO2光催化活性。与传统纳米纤维的合成方法相比,静电纺丝法有简单易行、成本低以及可控性强等优势,制备的纳米纤维比表面积大、孔隙率高和吸附性强,应用于光催化和自清洁等方面。本文以钛酸四丁酯和聚乙烯吡咯烷酮为原料,利用静电纺丝法制备掺杂的TiO2纳米纤维。利用XRD、SEM和UV/Vis光谱测试手段对所合成样品的结构、形貌和光催化活性进行表征。对比不同温度焙烧1.5mol%La/TiO2纳米纤维的结构、形貌和光催化活性,得到最佳焙烧温度为600℃。随着La3+掺杂量的增加,锐钛矿相衍射峰变的宽且低,粒径减小,La3+的掺杂明显抑制TiO2的相转变,提高相转变温度。La3+的掺杂增加了TiO2中氧空位和表面缺陷数量,捕获光生电子,抑制电子和空穴的复合,提高光催化活性。当La/Ti摩尔比为1.5mol%时,光催化活性最高。S的掺杂抑制锐钛矿相向金红石相的转变,随着S含量的增加,锐钛矿型TiO2(101)衍射峰宽度逐渐宽化,且都宽于纯TiO2衍射峰,说明S的掺杂可以抑制TiO2晶粒生长。适量的S掺杂提高了TiO2光催化活性,最佳掺杂量为1wt%,然而,过多的S掺杂会破坏纤维形貌,呈现出片状,表面积下降,光催化活性降低。相比单掺TiO2,La3+、S共掺TiO2纳米纤维显示更优的光催化活性。这可能是La3+、S共掺的协同效应所致,不仅降低TiO2禁带宽度,有效地分离电子-空穴对,提高量子效率,而且产生较多强氧化性的羟基基团。
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