一维纳米TiO2 /云母(凹凸棒石)复合结构的制备及性能研究

一维TiO2纳米材料具有优越的物理化学性能，但其光催化性能因其复合和负载限制，影响特性发挥。本项目拟以常用的非金属矿（云母或凹凸棒石）材料为载体，采用水解－沉淀法在其表面沉积生长纳米Ti02颗粒，颗粒以化学键的形式负载在非金属矿表面；然后以预沉积的纳米Ti02颗粒为晶种，结合碱种类(NaOH或KOH)溶液作用，采用水热合成方法合成一维纳米TiO2 /非金属矿（云母或凹凸棒石）复合结构，同时改变水热合成溶液的浓度、温度和时间及添加表面活性剂，研究水热合成一维TiO2纳米结构生长过程与机理；同时，对水热合成的一维纳米TiO2实施改性与表面修饰（如掺杂Co、N、稀土等），研究掺杂元素种类、含量、掺杂方式及工艺参数对复合结构的相组成、显微组织和光催化性能的影响，丰富一维TiO2纳米结构光催化基础研究内容，探讨一维纳米材料结合非金属矿利用方法，为拓展一维纳米TiO2的应用领域提供理论依据和技术基础。

针对纳米TiO2粉体分散性差，难回收，无可见光响应等缺点，本项目以云母，凹凸棒石，粉煤灰微珠，钛片为载体，制备了负载纳米TiO2复合结构，对材料微观结构及光催化性能进行了系统研究，进行了金属，非金属离子以及窄带隙半导体的修饰改性。通过水热处理及阳极氧化，制备了一维纳米TiO2/云母（粉煤灰微珠，Ti）复合结构。采用XRD，SEM，EDS，TEM，XPS和UV-Vis等方法对样品进行表征，以甲基橙为模拟污染物，分析材料微结构与光催化性能的内在关系，研究了掺杂改性机理，探讨材料的光生电子传输路径，研究了光催化动力学。.对于纳米TiO2 负载复合结构，通过调节工艺参数控制负载纳米TiO2晶型、晶粒尺寸、负载层厚度、界面结合力等。紫外光照下，负载复合结构表现出优良的降解效果，实现了循环使用。其中凹凸棒负载样品由于载体优越的吸附性能，降解速度最快；光催化降解过程遵循Langmiur-Hinshewood动力学模型，经拟合符合二级动力学方程。.掺杂改性实现并优化了材料的可见光响应。云母为载体的样品，N原子进入TiO2晶格间隙形成Ti-N-O键，可见光吸收边红移至430nm，可见光光照1h后的降解率达67%。凹凸棒为载体，1h可见光降解率达63%。粉煤灰微珠为载体，N、S共掺杂后吸收边红移至500 nm，可见光降解率达82%。Ag@AgCl复合纳米粒子改性后，可见光光照1h完全降解。表面等离子共振效应及电子空穴对循环机理使得Ag@AgCl/TiO2/粉煤灰微珠结构具有良好的可见光循环使用性。对于阳极氧化制备的一维纳米TiO2阵列，窄带隙半导体修饰利于光生电子的传输与有效分离，大幅提高可见光循环使用性能。探讨了复合结构光催化机理，建立了光催化模型。.水热研究表明，介质浓度和水热时间为关键参数，探讨了一维生长机理，建立了离子交换及片层蜷曲生长模型。介质浓度增加，利于一维尺度的生长，但与载体反应加剧，不利于界面结合。一维纳米TiO2比表面积优势及优化的电子传输通道进一步提高了紫外光催化性能。.本研究为构筑具备可见光响应的负载型纳米光催化材料提供了扎实的实验及理论基础。