CO_2在铜掺杂的TiO_2纳米管中的光催化还原研究

分别通过阳极氧化法和电沉积法制备了TiO_2纳米管及铜掺杂的TiO_2纳米管(CuxOy/TiO_2纳米管)复合材料。利用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和X射线能谱分析等手段对材料进行表征。结果表明:用阳极氧化法制备的TiO_2纳米管为锐钛矿型,平均管直径为90~110nm,平均管长为300nm左右;采用电沉积法制备的CuxOy/TiO_2纳米管中铜以CuO的形式存在。在密封悬挂式光催化系统中,研究不同浓度CuSO_4电镀液制备的CuO/TiO_2纳米管对CO_2的光催化还原行为。在500W氙灯光照的条件下,TiO_2纳米管和CuO/TiO_2纳米管还原CO_2的产物是CO和CH_4;TiO_2纳米管在光照6h时,CH_4的产率达到1.3×10~(-6)/(cm~2·h),而0.04mol/L CuSO4电镀液制备的CuO/TiO_2纳米管在同样条件下,CH_4的产量达到3.7×10~(-6)/(cm~2·h)。这说明CuO/TiO_2纳米管显著提高了CO_2的光催化还原效率。     

石墨烯/纳米TiO_2复合材料的制备及光催化还原性能

为探索超声辅助下利用紫外光及耦合热还原工艺制备RGO/纳米TiO_2复合材料的方法,并对其在缺氧水体中的光催化还原特性进行研究,首先,以鳞片石墨为原料,采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO),进而通过超声/紫外光还原工艺制备了还原氧化石墨烯(RGO);然后,以钛酸丁脂和RGO为前驱物,采用溶胶-凝胶法并在氮气保护下高温加热制备了RGO/纳米TiO_2复合光催化材料;接着,利用FTIR、XRD、BET及紫外-可见光谱等对RGO/纳米TiO_2复合材料进行了结构性能表征;最后,以2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)为探针物,研究了RGO/纳米TiO_2在缺氧水体中的光催化特性与2,4-D降解机制。结果表明:采用低温氧化Hummers法制备的GO六碳环上生成的活性基团较少,采用超声/紫外光还原工艺及耦合高温热还原工艺可使环状结构得到良好的修复;所制备的RGO/纳米TiO_2复合材料具有良好的2,4-D降解能力,在缺氧状态下,2,4-D主要发生光催化还原反应,脱除苯环上的氯,产生氯酚、邻苯三酚及间苯三酚等中间产物,部分2,4-D被氧化降解生成CO_2和H_2O。制备的RGO/纳米TiO_2复合材料具有良好的光催化还原性能。     

钠离子电池TiO_2/还原氧化石墨烯负极材料的制备及储钠性能

由于钠离子半径比锂离子半径大70%,使得钠离子在石墨电极材料中脱嵌较困难,需要对石墨负极材料进行改性。以天然石墨为原料,采用Hummers法制备氧化石墨烯;在此基础上以钛酸丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备了TiO_2前驱体/氧化石墨烯(TiO_2/GO)复合材料,通过热处理获得锐钛矿型TiO_2/还原氧化石墨烯(TiO_2/RGO)复合材料。电化学测试结果表明:TiO_2含量为15wt%的TiO_2/RGO复合材料在电流密度为20mA·g~(-1)下的首次放电比容量为74.08mAh·g~(-1),随着循环次数的增加,放电比容量逐渐增大,循环50次后达109.10mAh·g~(-1);充放电效率也呈现出逐渐增大的趋势,循环50次后达65.59%。而纯还原氧化石墨烯首次放电比容量为41.43mAh·g~(-1),循环50次后仅为20.47mAh·g~(-1)。     

滴加速率对TiO2/RGO复合材料结构和储钠性能的影响

以钛酸丁酯为前驱物,无水乙醇为溶剂,采用溶胶-凝胶法和热处理法制备了钠离子电池TiO_2/还原氧化石墨烯复合负极材料(TiO_2/RGO),研究了溶胶-凝胶法过程中反应物钛酸丁酯滴加速率对TiO_2/RGO复合材料形貌结构及储钠性能的影响。结果表明,TiO_2/RGO复合材料由锐钛矿相TiO_2和还原氧化石墨烯组成,TiO_2富集在RGO片层边缘。电化学测试结果表明,随着滴加速率的增大,首次放电比容量和库伦效率呈现先增大后减小的趋势;当滴加速率为1.0mL/min时,TiO_2/RGO复合材料具有良好的储钠性能,在1C(1C=20mA·g~(-1))倍率下首次放电比容量和库伦效率分别为140.14mAh·g~(-1)和27.92%,具有良好的循环和倍率性能。     

TiO2-聚吡咯纳米复合材料的电化学制备及其在锂硫电池中的应用

采用电化学沉积的方法,以阳极氧化法制备的二氧化钛纳米管阵列为基底,制备出高度有序的TiO_2-聚吡咯(PPy)纳米阵列,再通过共热法,将单质硫颗粒负载到基底阵列中,得到S/PPy/TiO_2纳米阵列结构复合材料。扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDX)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)表征结果表明,TiO_2纳米管高度有序平行排列,管径约120nm,聚吡咯均匀沉积在纳米管壁上,复合材料中硫的质量分数约为61.9%。电化学测试结果表明,在0.1C电流密度下,S/PPy/TiO_2纳米复合材料首次循环比容量达1155mAh·g-1,100次循环后比容量为648.4mAh·g-1,库伦效率保持在96.8%。高容量下良好的循环稳定性能显示出S/TiO_2/PPy纳米阵列结构复合材料作为锂硫电池正极材料的优势。     

两步水热法制备还原氧化石墨烯/纳米TiO_2复合材料及其光催化性能

为研究由还原氧化石墨烯(RGO)和具有高活性晶面的TiO_2组成的复合材料的制备方法及其光催化性能,首先采用两步水热法制备了RGO/纳米TiO_2复合材料:第1步为合成暴露高活性晶面的纳米TiO_2;第2步为将合成的纳米TiO_2与氧化石墨烯(GO)复合,形成RGO/纳米TiO_2复合材料。然后,利用XRD、SEM、X射线光电子能谱仪和紫外-可见漫反射光谱等手段对制备的暴露不同晶面的纳米TiO_2和RGO/纳米TiO_2复合材料进行了表征,评价了其光催化性能。结果表明:在水热法的第1步中,通过调节HF的浓度能可控制备出具有高活性的(001)和(101)晶面的纳米TiO_2,氟原子在纳米TiO_2中以物理吸附态和化学结合态这2种形态存在;在第2步后,GO与纳米TiO_2复合形成RGO/纳米TiO_2复合材料,同时在此过程中GO被转化成RGO。在紫外光照射下,两步水热法合成的RGO/纳米TiO_2复合材料具有很好的光催化性能,明显优于商用TiO_2(P25)和纳米TiO_2的。RGO/纳米TiO_2复合材料的光催化性能有明显的提高,RGO和TiO_2暴露的晶面对光催化活性有影响。     

电还原MoSe2修饰TiO2纳米管光电化学性能研究

通过阳极氧化法在乙二醇电解液中制备TiO₂纳米管阵列, 以钼酸钠和亚硒酸为原料, 改变原料的浓度配比以及沉积电压, 电化学还原沉积MoSe₂对TiO₂纳米管阵列进行修饰, 以半导体复合的方式提高TiO₂的光电化学性能。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对复合物进行物相、形貌分析, 通过电化学工作站测试复合材料的线性伏安曲线、交流阻抗。结果表明, MoSe₂与TiO₂形成了p-n异质结, 降低了光生电子和空穴的复合以及电荷转移电阻显著降低, 使载流子浓度、光电流密度明显增大。沉积电压为-0.5 V, 2 mmol/L H₂SeO₃沉积30 s, 经过300 ℃热处理的MoSe₂/TiO₂复合材料具有优异的光电化学性能, 在0 V偏压条件下光响应电流密度为1.17 mA/cm ², 是空白样品的3倍, 电荷转移电阻从331.6 Ω/cm ²下降到283.9 Ω/cm ²。当热处理温度为330 ℃时, MoSe₂会发生团聚, 堵塞TiO₂基底, 使得MoSe₂/TiO₂吸光能力减弱, 综合性能变差。     

TiO_2纳米管半导体特性与光电催化动力学研究

通过阳极氧化法在有机溶液中制备TiO2纳米管阵列,随着氧化时间的不同,TiO2纳米管阵列呈现各异的形貌。通过光电流测试,考察了不同氧化时间和施加不同电压下的Ti/TiO2纳米管阵列光电极的光电化学响应,阳极氧化6h表面规整纳米管阵列并施加偏压0.1V光电流响应最强。通过测试Mott-Schott-ky曲线,计算不同氧化时间的TiO2纳米管阵列的半导体载流子浓度、平带电位、空间电荷层宽度和能带弯曲量等特征参数,理论上提出了TiO2纳米管阵列生长机理。在光电催化降解无机氨氮的实验中,所得到的电化学阻抗谱(EIS)表明,外加偏压0.1V时,TiO2纳米管阵列电极的光电催化活性最强,同时通过拟合电路分析可知,光电催化降低了电极界面的反应阻抗,加速了光生载流子的转移,在TiO2纳米管阵列电极/溶液界面Helmholtz层中发生的氧化还原反应是整个光电催化反应的速率控制步骤。     

还原剂对Ni(OH)_2/还原氧化石墨烯复合材料结构及电化学性能的影响

为研究还原剂对Ni(OH)_2/还原氧化石墨烯(RGO)复合材料结构及电化学性能的影响,首先以氧化石墨烯(GO)和硝酸镍作前驱体,采用水热法制备了Ni(OH)_2/RGO复合材料;然后,利用XRD、SEM和Raman光谱仪表征了复合材料的结构和形貌,并采用循环伏安法、恒流充放电曲线和电化学阻抗谱研究了复合材料的电化学性能。结果表明:以(NH2)2CSO2作还原剂时,制备的β-Ni(OH)_2/RGO复合材料为RGO纳米片与Ni(OH)_2纳米片相互插层的结构;在电解液(6mol/L KOH溶液)中,0.2C放电倍率时β-Ni(OH)_2/RGO复合材料的比容量高达341.0mAh/g,10.0C放电倍率为时复合材料的比容量为242.2mAh/g,仍能保持β-Ni(OH)_2理论比容量的83.8%。所得结论表明制备的Ni(OH)_2/RGO复合材料显现出良好的电化学性能。     

N, α-Fe2O3共掺杂TiO2纳米管阵列的制备及其光电催化还原CO2性能研究

采用二次氧化法制得二氧化钛(TiO_2)纳米管(NTs)阵列(TiO_2NTs),并采用氮(N)、铁(Fe)对其进行改性,制得N、氧化铁共掺杂TiO_2NTs阵列(N-Fe_2O_3N/TiO_2NTs),并对N-Fe_2O_3N/TiO_2NTs的化学组成、结构和催化性能进行测试。研究结果表明,在0.075mol/L浸渍浓度条件下制得的N-Fe_2O_3N/TiO_2NTs有最优的光吸收能力,其在500nm的最高吸光度1.5Abs;主要还原产物一氧化碳(CO)产率最高可达140×10-6/(cm~2·h),比纯TiO_2NTs的产率提高了约8倍,光电流效率达到87.45%。     

TiO_2-NTs/rGO复合材料的制备及电化学性能

通过碱液水热法制备TiO_2纳米管(TiO_2-NTs)前驱体,并将其与氧化石墨烯复合得到二氧化钛纳米管/还原氧化石墨烯(TiO_2-NTs/rGO)复合材料。利用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),电化学测试等分析技术对复合物进行表征。结果表明:复合物中TiO_2-NTs晶相为B型(TiO_2(B)),其管径约为25~30nm;与单纯TiO_2-NTs相比,石墨烯负载的TiO_2-NTs的倍率性能和循环性能都得到显著改善,在放电倍率为1C(335mA/g)时,TiO_2-NTs/rGO和TiO_2-NTs首次放电容量分别为258.5mAh/g和214.9mAh/g;电化学阻抗谱测试显示,复合材料的电荷转移电阻明显小于纯相TiO_2-NTs。     

可见光响应RGO/TiO_2复合材料制备及性能研究

以内蒙古兴和县天然石墨为前驱体,用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),并以硫酸钛[Ti(SO4)2]为钛源,采用水热法制备了系列还原氧化石墨烯(RGO)/二氧化钛(TiO_2)复合材料,采用XRD、SEM、FT-IR及UV-Vis等对样品进行测试,并以甲基橙溶液为目标污染物评价其可见光光催化性能。结果表明:制得的RGO/TiO_2复合材料中TiO_2均以锐钛矿型存在,颗粒尺寸7nm左右,光响应范围扩至可见区,具有较高的可见光光催化活性;当GO掺杂量为0.10g时制得的复合材料,在氙灯照射10min后对甲基橙的降解率可达88.41%,照射30min时的降解率可达到96%以上。     

溶胶-凝胶法原位制备还原氧化石墨烯/二氧化钛复合材料及光催化性能

采用溶胶-凝胶法和改进的Hummers法制备了还原氧化石墨烯/二氧化钛(RGO/TiO_2)复合光催化剂。对该光催化剂的形貌、结构进行了表征与分析,并以亚甲基蓝(MB)模拟有机废水,研究了该复合材料的光催化性能。结果表明,大量TiO_2粒子负载在RGO片层表面形成膜层,分散均匀;在RGO/TiO_2中,TiO_2为锐钛矿型,RGO仍保留部分含氧官能团;RGO的引入使得RGO/TiO_2吸收带发生红移,能带宽度由3.2 eV降低至3.0 eV;RGO/TiO_2复合光催化剂具有良好的光催化降解性及循环稳定性,在持续光照MB溶液30 min后,最高降解率可达96.9%,5次循环光催化降解后,RGO/TiO_2仍有近90%的降解效率。     

硫化镍/还原氧化石墨烯复合材料的制备及电化学储能性能研究

通过水热法、火焰辅助微波法等控制氧化石墨烯(GO)的还原度，制备了一系列具有不同还原度的还原氧化石墨烯(RGO),并以这些RGO为前驱体，以六水氯化镍(NiCl₂·6H₂O)、2-巯基丙酸(C₃H₆O₂S)为镍源和硫源，通过水热法合成了系列硫化镍/RGO(NS/RGO)复合材料。通过粉末X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和电化学工作站对材料的晶型结构、形貌特征及电化学储能性能进行了研究。结果表明：RGO的还原度高低不仅显著地影响了NS的晶型结构，而且改变了NS的形貌特征；利用超过140℃水热还原获得的RGO制得的NS/RGO复合材料中NS晶型以Ni₃S₄主，且形貌由棒状变成了球状；尤其，利用140℃还原获得的RGO制备的NS/RGO具有最强的电化学储能能力，比电容高达3331.6F/g。可为下一代新型电极活性材料的设计和构筑提供新思路。     

NiO/TiO_2纳米复合电极的制备及电化学性能研究

金属氧化物理论上具有较高的比电容,是赝电容超级电容器的主要电极材料,不同的沉积方法将直接影响到其电化学性能。首先采用阳极氧化法制备高度有序的TiO_2纳米管阵列作为基底,分别采用化学沉积法和电化学沉积法(差分脉冲伏安法)沉积NiO,测试并比较所沉积NiO的电化学性能。电子扫描显微镜表征发现化学沉积的NiO颗粒较大未能均匀沉积,电化学沉积法沉积形成的NiO颗粒较小且均匀附着在纳米管中。恒流充放电结果显示电化学沉积法制备的复合电极获得了60mF/cm~2的比电容,可以用作电化学超级电容器的电极材料。     

SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯三元复合物的合成及其电化学电容性能

采用两步法制备出均匀分散的SnO2/还原氧化石墨烯(SnO2/RGO)二元复合物,再以二元复合物为模板,通过化学氧化法聚合吡咯(Py)单体,制备出SnO2/还原氧化石墨烯/聚吡咯(SnO2/RGO/PPy)三元复合材料。利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对复合材料结构和形貌进行物性表征,利用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对复合材料进行电化学性能研究,并讨论了不同含量的PPy对复合材料的结构和性能的影响。结果表明,所合成的三元复合材料的比电容随PPy含量的增加而增大,最大达到305.3F/g。三元复合物电容性能增强源于SnO2、RGO与PPy三者的相互协同作用,以及材料层状结构和大的比表面积。     

高长径比TiO2纳米管阵列的调控制备及其光阳极性能

采用较高粘度的有机溶液作为阳极氧化电解质溶剂制备了TiO₂纳米管阵列. 通过探讨阳极氧化工艺参数对纳米管形貌的影响, 研究出高长径比TiO₂纳米管阵列的制备工艺, 同时对TiO₂纳米管作为染料敏化太阳能电池光阳极的光电性能进行了测试, 并讨论了TiO₂纳米管的形貌对电池性能的影响. 结果表明：提高氧化电压和延长时间有利于获得高长径比纳米管, 在含0.5wt%NH₄F乙二醇电解质中50V氧化17h可制备出长径比为313.6的TiO₂纳米管阵列. TiO₂纳米管(在含0.5wt%NH4F乙二醇电解质中40V氧化13h)作为染料敏化太阳能电池光阳极可得到开路电压为0.723V、短路电流为2.15mA/cm²的光电性能.     

用Ti板制备高比表面积TiO_2纳米管的响应面实验设计

本工作采用Ti板和Al箔为原料,通过阳极氧化法制备了高比表面积的TiO_2纳米管;介绍一种制备高比表面积纳米管的实验设计方法,通过控制氧化电压和离子液浓度的全因子实验设计拟合了模型参数,得出当氧化电压和乙二醇及氟化铵混合离子液浓度分别为70 V和9.25 g/L时,制得的TiO_2纳米管薄膜的比表面积最大,为51.165 m~2/g。然后根据拟合模型进行了响应曲面设计,将纳米管薄膜的比表面积增大了3.1倍,为211.125 m~2/g,并得出在纳米管壁上长出的微小颗粒的粒径为1～10 nm,这与大自然树干、树枝的垂直结构是一致的。     

AgX(Cl,Br)-TiO_2复合材料光电化学研究

以阳极氧化法制备的高度有序TiO_2纳米管阵列作为基底,用沉积法在TiO_2纳米管上复合Ag Cl和Ag Br纳米颗粒形成Ag X-TiO_2异质结。采用XRD、FESEM等分析结果表征,结果表明:Ag Cl以厚度为50 nm、长度为1?m的片状结构堆叠分布,Ag Br的沉积过程较温和,沉积速度相对更慢,均匀分散在TiO_2纳米管表面;随着沉积次数增加,纳米管阵列表面形貌发生改变。光电化学研究表明:样品经过复合Ag Br后,可以有效提高TiO_2纳米管阵列的光电转化效率,当Ag Br沉积1次时,其光电转化效率达到2.67%,而复合的Ag Cl对于TiO_2纳米管阵列的光电效率改善效果欠佳。     

高度有序TiO2纳米管的制备

采用电化学阳极氧化法制备高度有序的TiO2纳米管.通过控制不同的阳极氧化电压及电解液,得到形貌不同的TiO2纳米管.最长的TiO2纳米管达60μm,长径比为600.采用SEM对样品进行了表征.