二氧化钛光子晶体的制备及其光催化性能的研究
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上海交通大学
硕士学位论文
二氧化钛光子晶体的制备及其光催化性能的研究
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：赵斌元;胡晓斌
20090101二氧化钛光子晶体的制备及其光催化性能的研究
摘要
环境污染是全世界都在关注的焦点问题。相对廉价的TiO2光催化剂在紫外光的照射下就能去除污染物，且不会产生有毒的副产物，因此受到重视。 但光催化氧化技术在实际应用过程中还存在许多问题，如TiO2光催化剂的光生电子和空穴对在迁移过程中易于复合，导致量子效率比较低，光催化效果不突出。 光子晶体是一类具有优越性质的特殊材料，其中的反蛋白石光子晶体结构由于其多孔的结构具有一般纳米二氧化钛固体所没有的广大的比表面积。所以我们期望能够制备这样一种二氧化钛光催化剂，他首先是光子晶体结构的，其次其晶型是锐钛矿型和金红石型都有的混晶。这种结构与一般的纳米二氧化钛相比，有三个优点：1大的比表面积2大的孔体积3混晶。更大的比表面积有利于更多反应物在催化剂表面进行吸附，而更高的孔体积有利于各种反应物和产物在光催化反应过程中迅速扩散，从而使有机物更快的降解。并且有研究表明，两种半导体的复合或一种半导体中两种不同相间的复合都有利于减少光生电子和空穴的复合速率，从而提高光催化活性。 本论文就是在此指导思想下，尝试制备特殊结构的二氧化钛催化剂，并通过对其进行光催化降解实验，考查此特殊结构是否能够增强它的光催化降解能力。本论文以聚苯乙烯为原料，利用自组装方法制备出不同粒径的胶体晶体正模板，并采用溶胶凝胶法把二氧化钛前驱体填充入制备出的胶体晶体中，经过陈化，热处理后，制备出具有光子晶体结构的二氧化钛反蛋白石材料，以亚甲基蓝和甲基橙作为目标降解物，测试了反蛋白石光子晶体TiO2的光催化性能。 本论文研究重点是探索结构规整的PS胶体晶体的制备、二氧化钛前驱体填充PS的工艺控制、复合物的热处理程序和反蛋白石光子晶体二氧化钛的光催化性能的测试。 从实验结果来看，这种特殊结构对二氧化钛的光催化能力有一定程度的增强作用，其中的增强机理需要做进一步的实验对其进行深入分析。 关键词：TiO2，锐钛矿，金红石型，光子晶体，光催化活性，薄膜
The preparation and photocatalytic activity of TiO2
photonic crystals
ABSTRACT Nowadays the whole world is focusing on environmental pollution
issues. Relatively cheap TiO2 can remove these pollutants under
ultra-violet radiation, without any poisoning by-products; thus it is now
taking on more and more attentions. However,
photo-catalyzed/oxidization technology still has many problems unsolved
in the practical realization, for example, the electrons/vacuums produced
by catalyzed TiO2 under light are very easy to recombine, leading to low
efficiency and underperformed photo-canalization effect.
Photonic crystal is special material with outstanding properties,
among which the inverse-opal’s photonic crystal structure possesses
better specific surface area than normal nano TiO2, thanks to is porous
structure. Therefore, we expect to fabricate this type of TiO2 catalysts, on
one hand it is photonic crystal structured, on the other hand, the crustal
type should be a combination of anatase and rutile. This structure has 3
advantages in comparing to nano-TiO2:1. bigger specific surface area; 2.
bigger hole volume; 3. it is hetero-crystal. Big specific surface area is in
favor of the absorption of more reagents on the surface of catalysts, and big hole volume can help to quickly diffuse all reagents and products
during the catalyzing process, which facilitates the quicker decays of the
organic. Moreover, some studies show, the compounding of two
semi-conductors or two phases in one semiconductor are good for
reducing the speed of the recombination of photo-produced electrons and
vacuums, thus promote the activity of photo-catalysts.
In this principle, the content of the thesis is trying to prepare TiO2
catalyst with special structure, and to test whether this special structure
can improve its catalytic activity by doing the decomposition experiment.
Using PS as raw material we successfully prepared colloidal crystal
templates with several different PS radius, and infiltrated the TiO2
precursor into the PS colloidal crystal by sol-gel method, after aging and
thermal treatment, the TiO2 inverse-opal photonic crystal material was
successfully fabricated, and then tested the catalytic activity of TiO2
inverse-opal photonic crystal by decomposing methylene blue and methyl
orange.
The key point of our thesis is the preparation of PS colloidal crystals,
the technique control of the infiltration of TiO2 precursor, the thermal
treatment of composite and the test of the catalytic activity of TiO2 verse
opal photonic crystal.
From the result of the experiment, we can see that the special
structure have enhanced the catalytic activity, and the enhancing mechanism needs further investigation. KEY WORDS: titanium dioxide, anatase, rutile, photocatalytic activity, film 上海交通大学
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日期： 年 月 日 上海交通大学
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上海交通大学硕士学位论文
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第一章 绪论
光子晶体的概念是在1987年由S.John[1]和E.Yablonovitch [2]各自独立提出来的。它是根据传统的晶体概念类比而来的。在固体物理研究中发现，晶体中的周期性排列的原子所产生的周期性电势场对电子有一个特殊的约束作用。 E.Yablonovitch指出，将介电常数不同的介质材料在空间中周期性排列的结构将改变在其间传播的光的性质。这种空间周期性排列的介电结构就是光子晶体。按照周期性结构的空间排列维数和取向不同可把光子晶体分为一维、二维、三维光子晶体，如图1.1所示。
图1-1一维、二维、三维光子晶体空间结构示意图 Fig.1-1 Simple examples of one-, two-, and three-dimensional photonic crystals 1.1光子晶体的特征 1.1.1光子带隙 光子晶体的最根本特征是具有光子禁带—光子带隙[3]。 光子晶体具有和半导体材料相似的结构。在半导体中，电子在原子晶格中运动将经历一个周期性势场，导致允许和禁止能带的形成。同样，在光子晶体中，介电常数的空间周期性排列产生周期性电场和磁场，当两种材料的介电常数变化较大且变化周期与光波波长相比拟时，在电介质界面上也会出现布拉格散射，产生带隙，即光子带隙，频率落在带隙范围的光波都被禁止传播，如图所示。
