纳米TiO2的合成、改性及光催化活性研究

纳米二氧化钛(TiO2)因其无毒性、化学稳定性好、具有很高的光催化活性，近几十年来受到了极大的关注。TiO2光生电子-空穴复合速率快，对太阳能利用率低，是影响TiO2活性的最大因素。开发一种光生电子-空穴复合速率低、对太阳能的利用率高的TiO2的制备方法刻不容缓。
　　 本论文采用溶剂热法，以钛酸丁酯为钛源，以固体羧酸或者固体羧酸与乙醇混合调控制备不同粒子尺寸、形貌和光催化性能的纳米TiO2材料。此外，利用氧化石墨烯与钛酸丁酯反应合成了TiO2-RGO复合物。利用X-射线粉末衍射、透射电镜、红外光谱、X-射线电子能谱仪等手段对所制备的材料进行表征，并以亚甲基蓝(MB)为降解目标物，考察其光催化活性。具体结论如下:
　　 1.在月桂酸调控下，通过考察体系中有机溶剂种类及其添加量、反应温度、反应物比、水的添加量等因素对所制备的TiO2性能的影响，探索制备高活性纳米TiO2的优化条件。大量实验证明，当月桂酸与钛酸丁酯的摩尔比为5∶1，溶剂为乙醇且添加量为10ml、反应温度为200℃时，所制备的TiO2有最好的光催化活性，而水的添加量对所制备的TiO2的活性影响不大。且在该体系下TiO2纳米晶的生长方式遵循定向聚集(OA)生长机制。
　　 2.利用其他固体羧酸（苹果酸、酒石酸、柠檬酸、草酸）直接或者与乙醇混合，调控合成了结晶度高、粒子尺寸小、比表面积大、微观形貌不同的优异光催化活性的TiO2，开创了一种有机酸调控制备高光催化活性纳米TiO2催化剂的新路线。其中，在无乙醇条件下利用苹果酸调控制备的TiO2，以及利用柠檬酸在有无乙醇条件下制备的TiO2，在紫外光照射20min时，对MB的降解率都高达98％以上;利用酒石酸在有无乙醇条件下制备的TiO2，对MB的降解率也可达90％。而利用草酸调控合成了内部具有囊泡状纳米孔穴的纳米TiO2。纳米孔穴可能是在焙烧过程中水的蒸发造成的。草酸调控制备的TiO2，在太阳光的照射之下，2h内可将MB降解完全;在紫外光照射20min时，对MB的降解率也可达98％以上。即使在强酸性条件，草酸调控制备的TiO2对MB降解能力也很强。草酸体系下所合成的TiO2的优异的光催化活性可归因于纳米TiO2高的结晶度以及新颖的内部致密孔穴结构。提出了一种在草酸调控下简单制备内部具有新颖纳米孔穴结构且光催化活性高的二氧化钛材料的新方法。
　　 3.利用改进的Hummers法将自然石墨粉氧化成氧化石墨烯(GO)，通过控制GO的初始添加量，与钛源水热反应合成TiO2-2wt％RGO复合物。通过各种手段证实自然石墨粉被氧化剥离成GO片，GO片经水热还原成RGO，最后得到了TiO2-2wt％RGO复合物。该复合物具有优异的吸附性能和光催化活性。