论文部分内容阅读
介孔纳米纤维在保留一维纳米材料优点的同时，兼具介孔结构独特的高比表面积和大孔容等性质，具备诸多新颖特性，在催化、能源、传感、医疗等领域，具有广泛的应用前景。本课题论文围绕新颖高效半导体光催化剂的研发，深入研究了一种合成介孔纳米纤维的普适新方法，即发泡剂辅助静电纺丝法，在可控制备全介孔半导体纳米纤维材料上做了系列创新性探索。论文工作首先以TiO2为研究对象，为了提高其比表面积，通过工艺的探索和优化，实现了高纯度全介孔TiO2纳米纤维的可控制备；同时为了抑制光生载流子复合以及拓宽光响应范围，以实现全介孔TiO2纳米纤维光催化性能进一步强化，我们对其中空结构、贵金属负载、掺杂、宽带/窄带隙复合材料的制备进行了较系统的实验探索和优化，获得了具有高效光催化活性的TiO2基全介孔纳米纤维材料。综合本论文工作，取得研究成果如下：（1）以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和钛酸丁酯（TBOT）为原料、偶氮二甲酸二异丙酯（DIPA）为发泡剂（造孔剂）、无水乙醇与冰醋酸为溶剂，配置前驱体纺丝液，通过静电纺丝法得到PVP/TBOT/DIPA前驱体纤维，然后在空气中高温处理，实现了全介孔结构的TiO2纳米纤维的制备。研究结果表明，在传统静电纺丝技术的基础上，引入发泡微造孔技术，能够实现高纯度、孔结构均匀空间分布的全介孔纳米纤维材料的一步法可控制备。相比传统工艺，发泡静电纺丝技术所制备的全介孔纳米纤维比表面积提高近6倍，光催化制氢活性比传统电纺丝技术制备的纳米纤维材料和商业化TiO2纳米粉体光催化剂提高2倍以上。（2）采用发泡静电纺丝技术，通过进一步调控原料配比，引入石蜡油和表面活性剂，实现了具有P25混相结构（即金红石和锐钛矿组成）的中空全介孔TiO2纳米纤维的制备。研究结果表明，相比商业化的P25纳米粉体光催化剂，其产氢和降解有机污染物RhB的效率均提高近2.5倍。（3）采用发泡静电纺丝技术，通过引入硝酸银（AgNO3）为负载Ag源和通过光沉积技术两种途径，实现了Ag负载TiO2全介孔复合纳米纤维材料的制备。研究结果表明，相比纯相TiO2全介孔纳米纤维，这两种途径所制备的Ag负载TiO2全介孔复合纳米纤维的产氢效率分别提高4倍和2倍以上。（4）采用发泡静电纺丝技术，通过引入乙酸铜（Cu(Ac)2）为铜源，通过调控Cu(Ac)2的引入量，实现了TiO2-CuO-Cu全介孔复合纳米纤维的制备及其结构调控(包括TiO2/CuO, TiO2/Cu和TiO2/CuO/Cu)。研究结果表明，三相体系的TiO2/CuO/Cu全介孔纳米纤维具有最佳的光催化活性，相比纯相TiO2全介孔纳米纤维，其产氢效率可提高4倍以上。（5）采用发泡静电纺丝技术，通过引入尿素做为掺杂氮源，实现了N掺杂全介孔TiO2纳米纤维的制备。研究结果表明，其光谱吸收阀值发生了轻微的红移，可见光响应得到显著强化；相比纯相的TiO2全介孔纳米纤维，其可见光降解有机污染物的效率提高3.5倍以上。（6）采用发泡静电纺丝技术，引入六氯化钨（WCl6）为钨源，实现了TiO2/WO3全介孔纳米纤维的制备，进一步通过负载g-C3N4纳米薄片，实现了TiO2/WO3/g-C3N4宽带/窄带隙全介孔复合纳米纤维的制备。研究结果表明，相比纯相TiO2全介孔纳米纤维，其产氢效率提高65倍以上，可见光光催化活性得到大幅度强化。