碳纳米管/TiO2复合材料的制备和性能研究
自1887年德国科学家赫兹发现光电效应以来,对光电效应的研究和利用就成为热点。而TiO2因其良好的光电效应和稳定的物理化学性能,在国内外受到的研究日益增多。简单来说,光电效应是指某些材料中的束缚电子在光照的作用下变成自由电子的现象。对TiO2光电效应的研究和利用一般表现在下列几个方面:一是利用其光催化性能来催化降解污水、废水中的有机分子;二是利用其光生阴极作用来进行防腐蚀处理。
但是,TiO2在这两方面的应用中都存在局限性。在其光催化应用中,首先TiO2禁带宽度为3.2eV,只有当它吸收了波长小于380nm的紫外光以后,才能显示催化活性,而太阳光中的紫外光仅占太阳光谱的3％-5％;其次半导体载流子负荷率高,量子效率较低。而在其防腐蚀应用中,当脱离光照时,其光生阴极作用则随之结束,使其应用范围受限。为了克服这两类局限,本文通过掺杂碳纳米管,与TiO2形成复合材料来对其进行改性,增加其光响应范围和应用范围。并通过对不同比例掺杂和不同制备方法的研究,旨在研究发现一种既适合进行光催化降解又适合防腐蚀保护的TiO2材料。
本文的研究成果如下:
1、采用高能球磨法和溶胶.凝胶法制备了相同比例的碳纳米管/TiO2复合粉体,利用此复合粉体对甲基橙进行了紫外光催化降解实验。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X-射线衍射(XRD)等手段对复合粉体进行测试分析。结果表明采用高能球磨法制备的复合粉体具有颗粒细小均匀,结构均一,分散性能良好的性质。通过紫外分光光度计对光催化降解实验的测试研究发现,经过碳纳米管掺杂的TiO2复合粉体,具有更优良的光催化性能,碳纳米管可以增加TiO2的光响应范围,增加其量子效率。其中使用高能球磨法制备的复合粉体性能最优,且高能球磨法具有更好的应用价值。
2、采用高能球磨法制备了不同实验条件和不同质量比例的碳纳米管/TiO2复合粉体,通过对甲基橙进行紫外光催化降解实验,并使用紫外分光光度计对实验结果进行测试。其测试结果表明,球磨时间为12小时,转速300r/min,碳纳米管的掺杂量在5wt％时,复合粉体性能最佳,过多或者过少的掺杂量都不利于其光催化性能的改善。
3、通过溶胶.凝胶法制备了碳纳米管/TiO2溶胶,利用提拉法在碳钢片和铜片上制备了碳纳米管/TiO2复合涂层,经过煅烧后得到最终涂层。利用SEM、XRD等手段对复合涂层进行了研究表征。结果表明,掺杂碳纳米管以后,复合涂层的连续性和完整性得到改善,减少了点蚀的产生;XRD测试表明,在450℃煅烧后,涂层结晶良好。通过腐蚀电化学实验分析可知,在掺杂碳纳米管以后,无光条件下,TiO2涂层表现出良好的防腐蚀性能,拓宽了其应用范围。证明碳纳米管独特的电性能可以吸收和储存电子,显示碳纳米管电容。
4、通过溶胶.凝胶法和提拉法制备了不同比例掺杂的碳纳米管/TiO2涂层,使用腐蚀电化学实验进行分析。结果表明,当碳纳米管的掺杂量在5wt％时,复合涂层具有最佳的防腐蚀性能,过高和过低的掺杂量都不利于涂层的完整性和连续性。电化学阻抗图谱同样表明,5wt％掺杂的碳纳米管/TiO2具有更高的阻抗。
二氧化钛;掺杂碳纳米管;复合材料;光生阴极作用;光催化性能;碳钢;防腐蚀保护
中国海洋大学
硕士
材料物理与化学
陈守刚
2011
中文
TN304.21;TB333
67
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）