二氧化钛及其石墨烯复合材料的合成和性能研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 .......................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... II
第1章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 二氧化钛简介 (1)
1.2.1 二氧化钛晶体结构 (2)
1.2.2 二氧化钛电学性质 (3)
1.3 二氧化钛光催化原理 (4)
1.4 晶体生长理论及合成方法 (5)
1.4.1 晶体生长理论 (5)
1.4.2 二氧化钛的合成方法 (6)
1.4.3 二氧化钛的改性 (10)
1.4.4 石墨烯 (10)
1.5 研究内容和研究意义 (12)
1.5.1 研究内容 (12)
1.5.2 研究意义 (12)
第2章TiO2的制备与催化剂表征 (13)
2.1 制备条件 (13)
2.1.1 实验试剂 (13)
2.1.2 实验仪器 (13)
2.2 催化剂表征 (13)
2.2.1 扫描电镜分析（SEM） (14)
2.2.2 X射线衍射分析（XRD） (15)
2.2.3 透射电镜分析（TEM） (16)
2.2.4 X光电子能谱分析（XPS） (17)
2.2.5 拉曼光谱分析 (18)
2.2.6 紫外-可见光吸收谱分析 (19)
2.2.7 光催化活性分析 (20)
第3章二氧化钛的合成及形貌影响因素分析 (21)
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3.1 引言 (21)
3.2 水热反应实验 (22)
3.3 二氧化钛的形貌影响因素分析 (22)
3.3.1 氢氟酸浓度对形貌的影响 (22)
3.3.2 压强对二氧化钛合成的影响 (23)
3.3.3 前驱体含量对二氧化钛合成的影响 (24)
3.3.4 时间对二氧化钛合成的影响 (26)
3.3.5 温度对二氧化钛生长的影响 (27)
3.4 本章小结 (33)
第4章二氧化钛{001}和{100}晶面光催化活性比较 (34)
4.1 引言 (34)
4.2 实验部分 (35)
4.2.1 二氧化钛的制备 (35)
4.2.2 扫描电镜分析 (35)
4.2.3 透射电镜分析 (36)
2.4 两种样品晶型分析 (38)
4.2.5 X光电子能谱和拉曼光谱分析 (38)
4.2.6 紫外-可见吸收谱 (40)
4.2.7 光催化活性比较 (40)
4.2.8 本章小结 (41)
第5章二氧化钛与石墨烯复合材料的合成 (42)
5.1 引言 (42)
5.2 实验部分 (43)
5.2.1 氧化石墨烯 (43)
5.2.2 二氧化钛与石墨烯复合材料的制备 (43)
5.3 实验结果与讨论 (44)
5.3.1 RGO/ TiO2复合材料晶体结构 (44)
5.3.2 RGO/ TiO2复合材料微观形貌 (44)
5.3.3 RGO/ TiO2复合材料的拉曼光谱 (45)
5.3.4 RGO/ TiO2复合材料XPS分析 (46)
5.3.5 RGO/ TiO2复合材料紫外-可见吸收谱 (47)
5.3.6 光催化活性评价 (47)
5.4 本章小结 (48)
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结论 (49)
参考文献 (50)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (55)
致谢 (56)
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第1章绪论
1.1引言
随着全球经济的发展，能源和环境方面存在的问题成了目前我们面临的巨大挑战。半导体光催化技术为我们提供了一种良好的能源开发和环境治理技术。半导体光催化材料不仅能够利用太阳能发电，而且还可以用太阳能分解水制氢气，氢气具有较高的能量密度、无污染及可再生等优点，在未来有希望成为一种理想的燃料。此外，光催化材料在太阳光的照射下能够将一些有机污染物降解成没有任何危害的无机物，因此它被认为是最具有潜力的治理环境污染的材料。因而，它的研究与应用引起了材料领域的广泛的关注。
自1972年，Fujishima等[1]发现TiO2作为单晶电极，在光的照射下，能够将H2O分解为H2和O2以来，包括TiO2在内的一系列半导体金属氧化物受到了科研工作者的广泛关注。在众多的光催化材料中,二氧化钛因其没有毒害、良好的化学稳定性、较强耐光腐蚀性、非常高的光催化活性等优点成为应用最广泛的半导体光催化材料。至今，以TiO2为基础的光催化技术已经在太阳能转换[2]、杀菌消毒[3]、降解有机污染物[4]、自清洁活性[5]和空气净化[6]等方面有了很大的发展。
但是到目前为止，二氧化钛由于光转化效率较低和光响应范围较窄，所以其在投入产业化的进程中仍然存在着一定的困难。为了解决这一难题，科学工作者们主要通过离子掺杂抑制光激发的电子-空穴对的复合和合成复合材料或者染料敏化等方式扩大光响应范围来提高二氧化钛的光催化活性，其次还可以通过控制TiO2形貌来改善光催化活性。
石墨烯具有优越的导电性，还具有很大的比表面积，具有可见光吸收谱，而且其独特的结构和良好的力学性能可以使其被用作载体材料。综上所述，将二氧化钛与石墨烯复合，恰好可以弥补TiO2在光电转换效率和光响应范围方面的不足。因此，目前已经有一系列的二氧化钛/石墨烯复合材料被研究者所合成，光催化活性得到了很大的提高。由于具有高能量的晶面的二氧化钛在光催化中具有高催化活性，因此二氧化钛表面形貌对它的光催化活性有着至关重要的作用，合成暴露高能面的二氧化钛成了研究热点。
1.2二氧化钛简介
二氧化钛（化学式：TiO?），粉末状或者白色固体的两性氧化物是相比其他颜料体积最大，比表面积最高的一种白色无机颜料，因其具有很多优异的物