有序大孔聚苯胺/二氧化钛复合光催化剂制备与光催化机理研究

Three-dimensional ordered macroporous (3DOM) TiO2 materials were first prepared via colloidal crystal templating method and the samples' crystallinities could be controlled by different calcinated temperature. And then, polyanline was used to modify prepared 3DOM TiO2 materials to make a new-type composite photocatalyst- - 3DOM PANI/TiO2. Due to narrow bandgap and good conductivty of polyanline, the visible-response of 3DOM PANI/TiO2 could be improved, and the recombination of photo-electron and hole could be decreased. Consequently, 3DOM PANI/TiO2 had excellent photoactivity under the conditions of UV and visible light.Various characteristic methods and theoretical calculations were used to display the relationships between the sample's microstructure, bandgap structure, surface state, photogenic charge carrier and photocativity, and further analyze the photocatalytic mechnanism and reaction kinetics. In addtion, 3DOM structure was at hundrends of nanometer level and had good intensity, which made 3DOM PANI/TiO2 materials regenerated easily in the application of liqiud phase.

首先利用胶晶模板法，通过改变煅烧温度制备具有不同晶型的三维有序大孔（3DOM）二氧化钛（TiO2）材料，然后利用聚苯胺（PANI）对3DOM TiO2材料进行修饰改性，获得具有3DOM结构的PANI/TiO2新型复合光催化剂。利用PANI（Eg=2.8ev）带隙较窄和良好导电性，使3DOM PANI/TiO2复合材料禁带宽度向可见光响应的同时，降低3DOM PANI/TiO2复合材料光生电子-空穴复合率，提高光催化量子效率，从而3DOM PANI/TiO2材料在紫外光和可见光下，均有良好光催化性能，并通过各种现代表征、理论计算等手段，揭示3DOM PANI/TiO2的微观结构、能带结构、表面态以及光生载流子与光催化活性的关系，并分析其降有机废水的光催化氧化内在反应机制和反应动力学。另外，3DOM结构在几百个纳米量级，强度好，使3DOM PANI/TiO2材料在流体中应用时易再生回收。

本项目主要针对目前二氧化钛基光催化剂可见光响应能力不足、液相使用易团聚流失等不足开展研究工作，力图从微观结构上对二氧化钛基光催化剂进行调控与修饰，使其可见光响应能力增加，并将其研究尺度扩展到几百个纳米的范围，从而为二氧化钛基光催化剂的研究提供有益的参考。以溶胶凝胶技术和胶晶模板技术为基础，首先成功制备了三维有序大孔（3DOM）二氧化钛（TiO2）材料，然后以苯胺为前体物，利用化学氧化原位聚合技术将导电聚合物聚苯胺镀（PANI）膜于大孔3DOM TiO2材料表面，成功制备了一种PANI膜厚度可控的3DOM PANI/TiO2新型复合光催化剂材料。机理分析表明：PANI优良的导电性能可以降低TiO2光生电子-空穴的复合率，提高光催化活性；PANI较低的带隙宽度（Eg=2.8eV），可以将TiO2的吸收波长向可见光有效拓展。同时在微观上赋予PANI/TiO2复合材料有序大孔结构，不仅可以保证PANI对TiO2的均匀修饰，而且大孔之间通过小窗口相互连通，更利于光与催化剂表面的充分接触以及反应物和产物的有效扩散，从而提高光催化效率。进一步通过光催化性能实验考察，其在光催化活性显著优于商业化的P25以及本课题研究中制备的其他TiO2基催化剂。与此同时，3DOM PANI/TiO2的纳米尺度达到几百个纳米尺度，强度较好，可以有效克服其在流体中应用时的团聚和难回收现象。通过单一的PANI材料修饰就可以同时改善纳米TiO2材料三方面的性能，这在TiO2材料的修饰改性领域是非常难得的，因此，本课题研究将对TiO2材料向可见光方向的工业化应用具有有益的参考作用。通过本课题研究，发表和接收科技论文9篇，其中SCI检索论文5篇；中文核心期刊4篇，还有3篇SCI论文正在评审中。2014年10月参加了于青岛举行的国际纳米科技大会，2015年9月参加了于宁波召开的第二届中国国际化工过程安全研讨会。正在培养硕士3名，将于明年7月毕业。申请专利3项，已授权1相，评审中2项。