锐钛矿和板钛矿纳米二氧化钛的晶相转变形貌调控与光催化性能研究无机化学专业论文.docxVIP

ByHaifeng By Haifeng Lin A Dissertation／Thesis Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Science Fujian Institute of Research on the Structure of Matter May,2014 致谢斗转星移，五年硕博连读的学习和科研生活即将结束，在这期间，老师、 致谢 斗转星移，五年硕博连读的学习和科研生活即将结束，在这期间，老师、 同学、亲人和朋友们给予了我太多的帮助，关怀，支持和鼓励，是他们让我收 获了很多并得到了锻炼和成长。在即将踏上新的人生旅途之际，特向他们表示 我最真挚的谢意! 感谢我的导师李广社研究员。本论文是在李老师的悉心指导下完成的，从 论文的选题，实验工作的设计和开展，数据分析和结果讨论，以及论文的写作 和修改等方面，李老师都倾注了大量的心血和汗水。李老师渊博的学识，敏锐 的洞察力，富于创新的学术思想，实事求是的科研作风，严谨的治学态度，宽 厚待人的处世哲学，以及平易谦和的品质特征，深深地感染和影响着我，是我 在科研和做人做事方面学习的榜样和楷模。多年来，李老师在学习、工作和生 活等方面都给予了我无私的指导，关怀和帮助，在此学生谨向李老师致以衷心 的感谢和崇高的敬意! 在我学习和课题研究过程中，还得到了李莉萍研究员的精心指导和帮助。 李老师在实验数据的分析处理，实验体系的选择，以及文章的写作等方面提供 了很大帮助，此外，李老师在生活方面也给予了我无微不至的关怀。在此向李 老师表示最诚挚的感谢! 同时感谢课题组成员赵明磊、左莹、郭美辰、臧一鹏、刘鑫、陈少卿、王 雅芳、付超超、车相立、杨二瑞、郑云龙、倪晓岚、范建明、李琪、谢东九、 陈显群、黄新松、颜廷江、关翔锋、郑菁、张敏熠、罗东、田海权、江克柱、 徐杨森和吴曙星，以及已毕业学生陈小梅、张俊、于创、陈婧、张新会、王运 健、杨流赛、胡万彪、王恒、孙朗、付正伟、陈林、邱晓清、苏毅国、陈小波、 唐长林、佟文明、黄磊、刘刚和刘俊杰在生活和科研上的支持，鼓励与帮助。 感谢中国科学院福建物质结构研究所测试中心的陈久桐、卓继伟、周丽花、 黄萍、刘美梅、王敏、陈起强、陈昕、陈波、黄新和彭奇等老师以及福州大学 测试中心的何运慧、杨晓华、丁晓坤和詹瑛瑛等老师在样品测试和数据分析方 面给予的帮助。感谢研究生部的林璋、张婧、钟玲和陈小波等老师在平时的科 研工作和学习中给予的指导和帮助。 感谢评审我博士论文的各位专家教授，感谢他们对论文提出的宝贵意见。 感谢我的家人和朋友，他们的支持和鼓励是我不断前进的动力。 林海峰 2014年5月 摘要摘要 摘要 摘要 近年来，随着全球范围内的能源短缺和环境污染问题的加剧，人类的生存 和可持续发展已经受到了严重的影响。作为一种具有广阔前景的解决方案，半 导体光催化技术受到了人们的广泛关注，因为它可以直接利用自然的太阳光进 行一系列氧化还原反应，比如将水分子分解为氢气燃料或者进行人工光合成和 光电化学转化，以及将环境有害物质完全分解矿化等。对于光催化来说，新型、 高效光催化材料的开发与应用一直是研究的主流之一。与其它半导体相比，二 氧化钛具有无毒，活性高，稳定性好和来源丰富等显著优势，成为了目前最有 应用潜力的一种光催化剂。因此，加强二氧化钛基纳米材料新颖结构的设计与 开发应用，探讨其结构与性能之间的关系具有重要意义，并将进一步促进半导 体光催化技术的发展。本论文选取锐钛矿和板钛矿介稳相TIC)2为研究对象，研 究它们的合成，晶相转变，形貌特别是晶面调控与光催化性能的关系。主要结 果总结如下： (1)锐钛矿Ti02纳米晶的形貌调控与光催化性能：通过溶液化学的调控分 别合成出了{10l}晶面超过90％的锐钛矿Ti02纳米菱形六面体和{001)晶面暴露 约达65％的锐钛矿Ti02纳米片。研究发现，催化剂单位表面积上光解水产氢和 降解有机物染料的活性顺序相同，即菱形六面体不规则颗粒纳米片。尽 管菱形六面体表面上的Ti5。活性位数目较少，然而由于其具有较负的导带电势 能够产生还原性更强的电子，从而表现出了优良的光催化活性；而纳米片则由 于F。离子的吸附以及经过碱洗过程可能减少和破坏了高能{001)表面上的活性 位点，因此导致了其光催化性能的下降。 (2)二氧化钛锐钛矿向板钛矿的晶相转变与板钛矿纳米晶的水热生长：研 究了水热条件下锐钛矿向板钛矿转变的动力学，发现晶相转变过程遵循溶解一 沉淀机制。确定出了相变的活化能为玩=48±8 kJ／mol，该值与锐钛矿生长的 活化能相近