TiO2/LaFeO3微纳米纤维的可控制备及其光催化性能

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半导体光催化剂已经在水体净化、空气净化等领域得到了广泛的研究和应用。二氧化钛(Ti02)是一种n型半导体,由于具有无毒、无污染、成本低、化学稳定性好、使用寿命长和光催化活性高等优点,是一种最理想而有效的光催化剂之一。但因Ti02带隙较宽(Eg=3.2eV),对太阳光的可见光利用率不高,光生载流子的复合作用较大而影响Ti02多相光催化反应的应用。因此,如何制备和改善Ti02的光催化活性,成为光催化研究领域的热点。LaFeO3作为窄带隙p型半导体材料,对太阳能的利用率较高,尤其是对可见光区具有良好的响应,是一种潜在的可见光光催化剂。鉴于微纳米材料的特殊性能,本论文分别采用静电纺丝技术制备Ti02和水热合成法制备LaFeO3,最后采用静电纺丝技术和水热合成法相结合的方法制备TiO2/LaFeO3微纳米材料,并考察其光催化性能。对制备的材料进行一系列的结构表征和光催化性能测试,研究样品的结构、形貌以及光催化活性,同时分析和探讨其光催化机理。本文主要研究内容和结果如下:(1)采用静电纺丝技术成功制备Ti02前驱体-PVP/Ti(OC4H9)4复合纤维,考察不同的热处理温度对Ti02的形成、生长、形貌和结构的影响,并采用热重-差热扫描(TG-DTA)、X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)和场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)等手段对制备的不同样品进行了一系列表征,并且以亚甲基蓝溶液为模型反应进行紫外光催化降解测试。结果表明:500°C时Ti02才能形成,500°C时Ti02微纳米纤维为锐钛矿相,随着煅烧温度的逐渐升高,600°C时开始出现锐钛矿相和金红石相共存,热处理温度上升到700°C时,晶粒逐步长大。不同温度下的TiO2对紫外光区的吸收范围有所拓展。在紫外光照射下,600°C的TiO2的光催化效果最好,约为48.93%。(2)采用水热合成法成功制备LaFeO3纳米颗粒,研究不同的热处理温度对LaFeO3纳米颗粒的形成、生长、形貌和结构的影响,采用X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、场发射电子扫描显微镜(FE-SEM)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)等手段对制备的不同样品进行了一系列表征,以亚甲基蓝溶液为模型反应进行紫外光催化降解测试。结果表明:LaFeO3在550℃时开始形成正交钙钛矿相,随着热处理温度的升高,水热颗粒越来越小,结晶度增加。600℃时LaFeO3呈现颗粒状,晶粒的平均粒径约为65-80nm。600°C时LaFeO3表现的光催化效果比700℃和800℃的好,其光降解效率约为30.91%。通过紫外可见漫反射光谱数据可知LaFeO3对可见光具有良好的响应,是一种潜在的可见光光催化剂。(3)利用静电纺丝技术结合水热合成方法成功制备TiO2/LaFeO3异质结构。采用X射线衍射光谱(XRD)、傅里叶转换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)等手段对TiO2/LaFeO3微纳米纤维的形成、生长和结构进行一系列的表征。通过亚甲基蓝(MB)光降解反应研究其光催化性能。结果表明:不完全碳化Ti02纤维表面的缺陷位点有利于LaFeO3纳米粒子的形成和生长;TiO2/LaFeO3形成的异质结构带隙明显窄于纯TiO2的带隙,光催化活性也得到了较好的提高;经140min紫外光照射后TiO2/LaFeO3异质结构催化剂对MB的降解率为65.34%;分析和探讨了其光催化机理。
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