一种基于离子交换的钛基纳米管复合光催化剂的制备方法研究

A method are developed to prepare Ti-based composite photocatalysts which have a high specific area, a low recombination rate of the photogenerated carrier and photocatalytic activity under visible light. Titanate nanotubes and TiO2 nanotubes derived from the hydrothermal method are selected as the substrate and the narrow band gap semiconductors such as CdS et al and noble metals such as Pt, Pd, Ag et al are selected as the modification materials. To increase the composite homogeneity and the interfacial area, ion-exchange reaction is adopted. In the project, the ion-exchange reaction mechanism of the titanate nanotubes, the effect of the reaction conditions on the size, ratio and site of the CdS or Pt, Pd, Ag nanoparticles on the surface of titanate nanotubes, the photocatalytic activity of the composite photocatalysts, the effects of the composite homogeneity and the interfacial area on the photocatalytic activity will be researched.

光催化技术是解决能源枯竭和环境污染问题很有发展潜力的一种技术，而高效光催化剂是该技术的关键。本项目从增加复合均匀度和复合界面面积的角度，以离子交换法为基础发展了一种制备钛基纳米管复合光催化剂的方法。该方法以氢基钛纳米管和TiO2纳米管为光催化剂主体，以窄带隙半导体和贵金属为改性材料，制备的复合光催化剂，将集比表面积高、光生载流子分离效率高、光谱响应范围宽等优点于一体。本项目将针对氢基钛纳米管很弱的离子交换能力，研究其在去质子化后的特殊离子交换性能和离子交换反应原理，获取纳米管发生离子交换反应的临界条件，进一步在氢基钛纳米管层间表面负载CdS等异质半导体和Pt、Pd、Ag等贵金属粒子，研究反应条件对CdS或贵金属的颗粒尺寸、在纳米管上的负载比例和负载位置等复合状态的影响规律，以甲基橙为降解对象，研究复合光催化剂的光催化性能，探索复合均匀度和复合界面面积在光生载流子分离过程中的作用机理。

光催化技术是解决能源枯竭和环境污染问题很有发展潜力的一种技术，而高效光催化剂是该技术的关键。TiO2是众多光催化剂中最有前途的催化剂之一，但是只能被紫外光激发和光生载流子复合几率高的缺点限制了其应用。人们采用贵金属负载、窄带隙半导体复合、掺杂等手段对其改性，以拓宽其吸收光谱范围和降低光生载流子复合几率，从而提高其光催化性能。本项目从增加复合均匀度和复合界面面积的角度，以离子交换法为基础发展了一种制备钛基纳米管复合光催化剂的方法。.利用P25为原料，以水热法合成了一维钛酸纳米管，研究了钛酸纳米管的元素化学成键状态、微观结构、形貌生长控制、纳米片与纳米管之间的相互转换，针对氢基钛酸纳米管很弱的离子交换能力，研究了多种过渡金属元素（Co、Zn、Cd、Cu、Ag、Pd）与氢基钛纳米管在不同条件下作用前后，氢基钛酸纳米管的晶相组成变化，氧原子、钛原子的结合能变化，光谱响应范围及能带变化，以及金属元素在氢基钛酸纳米管表面的价态、成键。研究揭示了氢基钛酸纳米管与过度金属离子交换反应，实质是一种化学吸附，确定在碱性溶液中，过渡金属离子更易在氢基钛酸纳米管表面吸附配位，生成稳定结构均匀沉积于氢基钛酸纳米管表面。.以氢基钛酸纳米管和过渡金属离子之间的交换反应为基础建立了一种钛基纳米管复合光催化剂的制备新方法，制备出CdS/TiO2，PdO/TiO2，Ag/TiO2，WO3/TiO2等多种高效复合光催化剂，研究了过渡金属离子体积、交换反应条件、过渡金属离子负载比例、后处理条件等对复合样品组成、形貌、晶型、比表面积、复合均匀度以及光催化性能的影响。确定复合均匀度和复合界面面积在光生载流子分离过程中作用显著，增加复合均匀度和复合界面面积可以增加起辅助作用的半导体或金属在复合光催化剂中的复合比例而提高光催化性能。