宽光谱激发的锐钛矿溶胶的低温制备及结构、性能表征

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1、浙江人学博士学位论文中文摘要当前工业生产和现代化生活造成的能源和环保问题逐渐引起政府和民众的高度重视，科研人员正在对相关的技术全力开展研究。其中，可以利用太阳光降解有机物的半导体催化剂，因其在能源和环保方面的重要性，在过去几年中成为研究的热点。半导体催化剂中的二氧化钛因为其较高的光催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性、无二次污染、无刺激性、安全无毒、方便易得等特点，成为当前最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。研究人员已能够通过各种方法制备出二氧化钛粉体和薄膜，并采用掺杂、复合等手段拓展其光线利用范围，提高其光催化效率。目前TiO：的湿化学制备方法

2、中，普遍使用抑止水解的手段使前驱体不完全水解，生成有机中间产物，所以都需要高温处理，促使有机中间产物转化为无机物，并获得具有光催化性能的锐钛矿晶型；但高温处理限制了二氧化钛的应用，无法用于难以加热或不耐高温的领域。另外，通过掺杂、复合等手段改性后的TiO。对光线利用范围仍然较窄，只能拓展到部分可见光，影响对太阳光的充分利用；载流子的量子产率也较低，限制了光催化效果的发挥。本文在低温下以溶胶一凝胶法制备含有锐钛矿晶体、具有宽光谱激发能力的TiO：溶胶，并对其结构和性能进行了深入分析。主要工作包括以下几个方面：1、锐钛矿溶胶的低温制备研究通过配方设计

3、和工艺控制，探索出一种溶胶一凝胶法低温制备锐钛矿溶胶的新体系和新工艺。设计出钛酸丁酯、水、无水乙醇、盐酸(摩尔比1：185—200：10一16：O．卜0．3)的新体系和相应的工艺控制，调控前驱体的水解过程，使钛酸丁酯充分水解，生成的无机产物在液相中原位自生长，形成锐钛矿晶体，在低温下(30—70℃)合成了具备光催化活性和宽光谱激发能力的锐钛矿溶胶，从而避免了常见研究中的高温热处理。2、锐钛矿溶胶制各的控制因素研究通过研究配方和工艺上各因素对溶胶制各、结构和性能的影响，获得了锐钛矿溶胶制备、结构和性能的控制规律。研究发现，溶胶中的锐钛矿晶体以“聚集

4、一长成”规律原位生长而成，具有非标准的[Ti06]八面体结构。水的用量和滴加浙江大学博二E学位论文顺序决定钛酸丁酯前驱体的水解程度和溶胶中是否生成锐钛矿晶体；催化剂酸的用量会影响溶胶的稳定性；制备温度影响溶胶中锐钛矿晶体的结晶完善度和晶体缺陷，并进而影响溶胶对光线的利用；陈化时间影响锐钛矿晶体的结构参数和外观形状。3、锐钛矿溶胶的宽光谱激发性能研究通过分析锐钛矿溶胶的宽光谱激发机理，摸索出通过能级分裂和晶体缺陷来拓展二氧化钛光线利用范围、提高载流子量子产率的新途径。锐钛矿晶体中，量子效应导致能级分裂，产生亚稳态次能级；同时，晶体在液相中原位生长，

5、内部含有较多的晶体缺陷。亚稳态次能级和晶体缺陷可供跃迁电子短暂停留，使溶胶具各宽光谱(紫外、可见、近红外)激发的能力，可以响应200一1000nm范围的所有光线，更好地利用太阳光；同时也可以促进光生电子和空穴的有效分离，增加载流子的量子产率，提高光催化性能。4、锐钛矿溶胶的光催化反应过程研究文中分析了溶胶浓度、溶液体积对光催化反应的影响，发现溶胶催化高浓度罗丹明B的反应过程，可以分为打散罗丹明B分子聚集体和破坏罗丹明B分子结构两个阶段：第一阶段为速度较慢的一级反应；第二阶段为速度较快的复杂反应。通过溶胶催化过程的动力学分析，建立起一种不同于常见的

6、粉体和薄膜催化的溶胶催化理论。溶胶中的锐钛矿晶体具有增强的量子效应和大的比表面积，并在溶胶中不断进行布朗运动。催化过程中晶体表面同步进行着氧化罗丹明B的不同进程的分反应和这些分反应的后续反应，宏观表现为复杂反应，而非常见粉体催化和薄膜催化的零级或一级反应。5、锐钛矿溶胶的应用研究建立起锐钛矿溶胶成膜和晶体变形的初步理论，并用以指导实际应用，通过改变成膜方式、基材种类、稀释程度等因素，控制最终薄膜中的晶体形状；初步研究了锐钛矿溶胶成膜后的光催化性能和与常见的研究相似的光催化反应规律：将锐钛矿溶胶和国外的溶胶样品进行对比，表明锐钛矿溶胶可以替代进口产

7、品。关键词：二氧化钛光催化，锐钛矿溶胶，宽光谱激发，低温制备，晶体结构，催化动力学，成膜特性浙江大学博士学位论文AbstractTheenvironmentandresourcedrewmanyattentionsofgovernmentsandpeoplewhentheindustryandmodernlifemakesomuchp011ution．TitaniuⅢdioxide，asaexcellentsemi—conductorwhichcanabsorbsunlightandbeexcitedtodecomposeorganicpollu

8、tions，becomeVerypopularinscienceresearchinrecentyears．Thescientistsn