TiO2基催化材料的制备及其光热催化性能和机理研究.pdfVIP

摘要

随着工业的发展和人口的快速增长，快速的能源消耗和环境污染已经成为人类面临

最紧迫的挑战，开发新技术及时解决这些问题势在必行。半导体光催化技术因其绿色、

高效、经济、广泛适用性和可持续发展性受到了人们广泛的关注。最近，光热效应被广

泛引入到半导体光催化技术中，新型光热催化结合了光催化和热催化的优点，可以有效

提高光催化性能，降低反应的活化能，其低成本效益和较高的太阳光谱利用效率，给环

境和能源领域带来了新的活力。半导体CuS作为一种优秀的光热材料，可在可见和近红

外光激发下产生热量，受到了许多研究人员强烈青睐。在现有研究人员的启发下，我们

将CuS颗粒与TiO2半导体材料相结合，TiO2和CuS分别作为光催化中心（紫外和可见

光）和光热中心（可见光和近红外光），分别利用不同波段的入射光，实现了对太阳光

谱的高效利用。由于CuS优异的光热效应，CuS在光照下能够快速的将光能转化为热能

提高催化剂的局部温度，从而加快表面晶格氧和溶解氧的活化，促进电子和空穴的高效

利用，显著提高光催化活性。本文通过水热法、连续离子层吸附与反应法和原子层沉积

技术，在钛网表面原位制备了TiO/CuS@TiO和TiO/CuS@AlO复合催化剂材料。主

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要研究内容如下：

（1）采用水热法在钛网表面原位制备了TiO2纳米材料，研究了NaOH浓度、水热

时间、退火温度等条件对TiO2形貌和晶型的影响。在此基础上采用连续离子层吸附与反

应法分别以Cu(NO)和NaS作为铜源和硫源制成了不同CuS掺杂量的TiO/CuS材料。

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并通过光热催化氧化有机污染物实验，探究了不同掺杂量的CuS对光催化性能的影响。

研究表明，在可见光照射下，T/S-1的催化活性远远大于TiO2材料，并随着CuS负载量

的增加催化活性逐渐降低。

（2）采用原子层沉积技术在TiO/CuS表面沉积了不同厚度的TiO和AlO氧化层

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保护膜，合成了TiO/CuS@TiO和TiO/CuS@AlO材料。研究发现，1nm的TiO层提

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高了T/S-1催化剂的光催化效率和稳定性能，经过20次的循环使用后，催化剂的性能并

未发生明显变化。然而沉积1nm的AlO薄层后，催化剂的活性小幅度的降低，但是由

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于AlO本身良好的稳定性，催化剂有着优异的稳定性。在催化剂表面沉积稳定的氧化

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层薄膜为高稳定性、高活性光催化剂的设计提供了一种很有前景的方法，具有良好的工

业可拓展性和实用性。

（3）通过热成像技术、瞬态吸收光谱技术、顺磁共振波谱仪等测试揭示了光热效应

增强光催化的机理。研究结果显示，T/S-1和T/S-1@1T催化剂光照下能快速升至62.7℃

和63.9℃，这主要归因于CuS的光热效应。CuS的引入提高了TiO2催化剂的光吸收范

围，抑制了载流子的复合，加快了载流子转移效率。随着TiO2纳米线温度的升高，导致

表面活性氧的活化，降低了反应的活化能，进而提高了催化效率。通过瞬态吸收光谱技

术表明TiO2和CuS之间没有电荷转移，这表明CuS仅作为光催化的额外加热器，通过

光热效应提高了TiO2材料在催化过程中的活性。

（4）采用SolidWorks软件设计并通过3D打印技术制作了流动反应器，验证了T/S-

1@1T催化剂在流动体系中的应用。研究表明，T/S-1@1T催化剂在流动体系中表现出优

异的光催化活性和稳定性，因此T/S-1@1T催化剂在实际应用中对处理流动废水具有很

高的潜力。