TiO2基納米材料的制備、結構與其催化性能的研究.pdf

1、本文選擇在光催化領域備受關注的二氧化鈦為研究對象，以密度泛函理論為基礎，利用第一性原理的計算軟件CASTEP對單斜態(tài)相TiO2的能帶、態(tài)密度等電子結構進行了模擬分析，為關聯(lián)單斜態(tài)相TiO2的光學特性和催化性能的研究提供理論依據(jù)。實驗研究中，以Ti(SO4)2為原料、30％的H2O2為絡合劑、NaOH為沉淀劑，采用新穎簡單的化學絡合水熱合成法制備了單斜態(tài)TiO2納米管。確定了制備單斜TiO2納米管的最佳工藝條件和參數(shù)；結合X-射線粉末衍射

2、儀(XRD)、激光拉曼光譜儀(LPS)、X-射線光電子能譜儀(XPS)、氮吸附BET比表面積測試、透射電鏡(TEM)、熱重分析儀(TG-DSC)、紅外光譜儀(FT-IR)等技術，對TiO2納米管的結構、形貌、表面性能及晶相結構進行了表征和細致的分析；以甲基橙的降解為探針反應，研究了單斜態(tài)納米TiO2催化降解甲基橙的性能。以期為把握多晶相材料的構效關系提供科學依據(jù)，同時為水體中有機污染物的高效降解提供理論指導與技術支持。
　　第一章

3、引言主要介紹納米TiO2的研究現(xiàn)狀，光催化基本原理，一維TiO2納米管的主要制備方法，第一性原理模擬計算的理論基礎，以及本文的選題意義和研究內容。
　　第二章采用基于密度泛函理論的平面波超軟贗勢方法進行材料的模擬計算，使用第一性原理方法計算了銳鈦礦相TiO2和單斜態(tài)TiO2(B)結構參數(shù)、能帶、態(tài)密度。結果表明：與銳鈦礦型TiO2相比，單斜態(tài)TiO2(B)結構中Ti-O鍵也呈現(xiàn)較強共價鍵特征，但其對稱性降低，Ti-O鍵長及重疊布居

4、數(shù)也發(fā)生了變化；單斜態(tài)TiO2的禁帶變寬(Eg為2.875eV)，比實驗值3.3eV小些，理論預測光吸收波長可發(fā)生藍移，計算結果與已有的實驗數(shù)據(jù)符合較好。
　　第三章采用基于密度泛函理論的平面波贗勢方法，對Na0.2TiO2的能帶結構、電子態(tài)密度和電荷密度進行了分析計算。結果表明，Na0.2TiO2屬于一種間接帶隙半導體，禁帶寬度為2.81eV；其電子態(tài)密度主要由Ti的3d層電子和O的2p層電子的能態(tài)密度決定；該材料對紫外線有較強

5、的寬頻吸收，拓展了光譜響應范圍，提高太陽能利用轉化率和光催化效率；Ti-O鍵比Na-O鍵結合的更緊密，Na原子與O原子形成的是離子性較強而共價鍵較弱的混合鍵，Ti-O鍵的共價作用要強于Na-O鍵。因此，可以通過陽離子交換來調變鈦酸鈉的鍵特性及穩(wěn)定性。
　　第四章以Ti(SO4)2為鈦源，H2O2為絡合劑，NaOH為沉淀劑水熱反應制備出單斜態(tài)結構的TiO2(B)納米管，經(jīng)XRD、TEM、BET測試、XPS、TG-DSC等表征結果得知

6、：呈現(xiàn)規(guī)整的中空管狀，納米管兩端均為開口，管的外徑為6 nm至25nm不等，管的長度可達100nm以上，并且樣品的長徑比很高；另外，鈉離子主要覆蓋在TiO2(B)產品的表面，經(jīng)過去離子水多次洗滌樣品后不含有鈉離子。從TEM研究認為水熱法制備TiO2(B)納米管的過程在水熱過程中形成的，即TiO2晶體與NaOH溶液反應生成二維薄板層狀產物，然后薄板產物以[200]晶面為軸發(fā)生卷曲生成一維TiO2(B)納米管，整個過程經(jīng)歷了從3-2-1D的

7、過程。
　　第五章根據(jù)實驗結果及理論分析，優(yōu)化出單斜態(tài)相TiO2納米管暗處催化降解甲基橙的最佳條件：相對于銳鈦礦和P25型TiO2，單斜態(tài)TiO2(B)納米管具有獨特的紅外吸收峰，有較寬的帶隙和較大的比表面積；單斜態(tài)納米TiO2(B)不僅在光照條件下存在催化活性，而且在無光條件下也有極高的催化活性。在暗處降解5 h，降解率可達到99%，為了使TiO2(B)催化劑保持高的催化活性，H2O2的存在是必需的而不是光照，TiO2(B)與H