Синтез и каталитические свойства наноструктурированных покрытий диоксида титана 05.17.01 – Технология неорганических веществ Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук

Description

Оглавление 1 Введение 4 1. Литературный обзор данных 6 1.1. Свойства диоксида титана 6 1.1.1. Кристаллическая структура 6 1.1.2. Оптические свойства 7 1.1.3. Электрофизические свойства 8 1.1.4. Фотокаталитические свойства 10 1.2. Способы получения наноструктурированного TiO2 12 1.2.1. Гидролиз титансодержащих солей 13 1.2.2. Гидротермальный метод 13 1.2.3. Сольвотермический синтез 14 1.2.4. Золь-гель метод 14 1.2.5. Химическое осаждение из газовой фазы 15 1.2.5. Сонохимический метод 15 1.2.6. Микроволновой синтез 16 1.2.7. Метод химического окисления титана 16 1.2.8. Метод электрохимического окисления титана 16 1.2.8.1. Модель роста нанотрубок TiO2 18 1.2.8.2. Факторы, определяющие геометрические характеристики наноторубок TiO2 20 1.2.8.3. Состав электролитов для получения нанотрубчатых покрытий TiO2 2 1.3. Модифицирование диоксида титана 23 1.3.1. Допирование катионами 23 1.3.2. Допирование анионами 25 1.3.3. Нанесение наночастиц металлов 27 1.3.4. Нанесение наночастиц полупроводников 29 1.4. Области применения фотокатализа 29 1.4.1. Очистка воды и воздуха от органических загрязнителей 31 1.4.2. Фотолиз воды 33 1.4.3. Очистка воды от неорганических соединений 34 1.4.4. Медицинское назначение 34 1.4.5. Восстановление СО2 35 1.5. Цель и постановка задачи 39 2. Синтез образцов и методы исследования их свойств 40 2.1. Методики синтеза образцов 40 2.1.1. Методика синтеза нанотрубчатых покрытий TiO2 40 2.1.2. Методика синтеза нанотрубчатых покрытий TiO2, допированных атомами азота и фтора 42 2.1.3. Методика синтеза композитного фотокатализатора на основе нанотрубчатых покрытий TiO2 и наночастиц металлов (Ru и Pt) 44 2.2. Методы исследования 46 2.2.1. Методы электронной микроскопии 46 2.2.1.1. Растровая электронная микроскопия 46 2.2.1.2. Просвечивающая электронная микроскопия 46 2.2.1.3. Дифракция электронов 46 2.2.1.4. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов 47 2.2.2. Методы рентгеноспектрального анализа 47 2.2.2.1. Рентгеновская дифракция 47 2.2.2.2. Рентгенофлуоресцентный анализ 48 2.2.2.3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 48 2.2.3. Спектрометрические методы 49 2.2.3.1. Спектроскопия диффузного отражения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра 49 2.2.3.2. Инфракрасная спектроскопия 49 2.2.4. Термические методы 50 2.2.5. Адсорбционные методы 50 2.2.6. Газовая пикнометрия 50 2.2.7. Хроматографические методы анализа 51 2.2.7.1. Газовая хроматография 51 2.2.7.2. Хромато-масс-спектрометрия 51 2.2.7.3. CHNS анализ 52 2.2.8. Методы испытания адгезионных свойств покрытий 52 2.2.9. Определение фотокаталитической активности 53 2.2.10. Измерение коэффициента преобразования световой энергии 54 2.2.11. Определение фотокаталитической активности в реакции восстановления CO2 55 3. Результаты экспериментов и их обсуждение 57 3.1. Нанотрубчатые покрытия диоксида титана 57 3.1.1. Механические свойства 58 3.1.1.1. Факторы, определяющие механическую прочность 58 3.1.2. Процесс формирования нанотрубок TiO2 66 3.1.3. Факторы, определяющие морфологию нанотрубок TiO2 70 3.1.3.1. Напряжение 71 3.1.3.2. Состав электролита 73 3.1.3.3. Продолжительность анодирования 76 3.1.3.4. Температура 78 3.2. Нанотрубчатые покрытия TiO2, допированные атомами азота и фтора 79 3.2.1. Микроструктура 79 3.2.2. Выбор режима термообработки 83 3.2.2.1. Термический анализ 84 3.2.2.2. Фазовый состав 86 3.2.2.3. Элементный состав 92 3.2.3. Атомное и электронное состояние азота и фтора 96 3.2.4. Оптические свойства 101 3.2.5. Текстурные характеристики 104 3.2.6. Испытания адгезии покрытий 109 3.2.7. Фотокаталитическая активность 110 3.2.7.1. Факторы, определяющие фотокаталитическую активность 112 3.2.7.2. Фотокаталитическое окисление метиленового голубого в водном растворе 117 3.2.7.3. Сравнение фотокаталитической активности 119 3.2.8. Эффективность преобразования световой энергии 121 3.3. Композитные фотокатализаторы на основе нанотрубок TiO2 и наночастиц Pt и Ru для процесса восстановления СО2 123 3.3.1. Нанесение Pt методом магнетронного напыления 124 3.3.1.1. Изучение активности в реакции фотокаталитического восстановления СО2 127 3.3.2. Нанесение Pt и Ru методом пропитки 128 3.3.2.1. Изучение активности в реакции фотокаталитического восстановления СО2 130 3.3.3. Состав продуктов фотокаталитического восстановления СО2 132 3.3.4. О механизме восстановления СО2 134 3.3.5. Влияние реакционных условий на выход метана 137 3.3.6. Сравнение фотокаталитической активности 141 4. Выводы 142 5. Список литературы 144