Синтез наноматериалов на основе оксидов титана и цинка для фотокаталитического разложения воды

• Автор: Гаврилов, Антон Иванович
• Шифр специальности: 02.00.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 141 с. : ил.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1. Методы получения водорода.

2.2. Механизм получения водорода методом фоторазложения воды.

2.2.1. Квантовый выход фотокаталитических процессов

2.3. Материалы для фотокаталитического разложения воды.

2.3.1. Оксид цинка.

2.3.2 Диоксид титана.

2.3.3 Слоистые титанатные наноструктуры

2.3.4 Титанаты со структурой РуддлесденаПоппера.

2.4. Факторы, влияющие на фотокаталитическую активность. Способы повышения эффективности фотокатализа.
2.4.1. Допирование катионами и анионами
2.4.2. Сенсибилизация за счет межфазного переноса электрона
2.4.3. Создание двухкомпонентных фотокатализаторов.
2.5. Методы получения фотокатализаторов в виде порошков и пленок .
2.5.1. Порошковые фотокаталитические системы.
2.5.2. Методы получения пленок.
2.6. Постановка задачи.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
3.1. Приготовление исходных реагентов
3.1.1. Приготовление аморфного геля ТЮ2ПН2О
3.2. Получение порошковых фотокатализаторов
3.2.1. Лабораторная установка для гидротермального синтеза.
3.2.2. Гидротермальный синтез порошков диоксида титана и титанатов калия и натрия.
3.2.3. Синтез перовскитоподобных титанатов.
3.2.4. Синтез материалов на основе диоксида титана методом сверхкритической сушки.
3.3. Получение пленок оксидных материалов на поверхности металлических подложек.
3.3.1. Гидротермальный синтез титанатов на поверхности титановой подложки.
3.3.2. Получение пленок диоксида титана методом анодного окисления .
3.3.3. Получение пленок оксида цинка гидротермальным методом.
3.4. Методы исследования полученных образцов.
3.4.1. Рентгенофазовый анализ
3.4.2. Просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ
3.4.3. Растровая электронная микроскопия РЭМ и рентгеноспектральный микроанализ.
3.4.4. Определение удельной поверхности образцов.
3.4.5. Термический анализ
3.4.6. Спектроскопия диффузного отражения в УФвидимом диапазоне длин волн
3.4.7. Спектроскопия комбинационного рассеяния.
3.4.8. Фотолюминесцентная спектроскопия
3.5. Фоторазложение воды порошковыми фотокаталитическими системами
3.6. Измерение фотокаталитической активности в реакции разложения
органических веществ.
3.7. Фотоактивность пленок
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.
4.1. Синтез и физикохимические свойства порошковых
НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА
4.1.1. Диоксид титана и титаниты калия и натрия, полученные
гидротермальным методом.
4.1.2 Синтез перовскитоподобного титаната натриянеодима и
исследование его фотокаталитических свойств.
4.1.3 Аэрогельные твердые растворы на основе диоксида титана, полученные сверхкритической сушкой геля, и исследование их
фотокаталитических свойств
4.2 ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА В РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ ДИОКСИДА ТИТАНА, ТИТАНАТОВ КАЛИЯ И НАТРИЯ, А ТАКЖЕ ТИТАНАТА НАТРИЯНЕОДИМА, ПОЛУЧЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫМ МЕТОДОМ И МЕТОДОМ
СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ СУШКИ ГЕЛЯ.
4.3. АНОМАТЕРИАЛЬ ПА ОСНОВЕ гыО И ТЮ2, ВЫРАЩЕННЫЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИНКОВОЙ И ТИТАНОВОЙ ФОЛЬГИ, И ИХ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ В РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ
4.3.1 Наноматериалы на основе Т, полученные гидротермальной обработкой титановой фольги, и их фотокаталитические свойства
4.3.2 Ориентированные наностержни 2пО на поверхности металлического цинка
4.3.3 Пленки нанокристаллического анатаза, закристаллизованные гидротермальной обработкой аморфного диоксида титана, полученного на поверхности металлического титана методом анодного окисления
4.3.4 Фотоактивность пленок оксида цинка на поверхности металлического цинка и пленок нанокристаллического анатаза на поверхности титановой фольги.
5. ВЫВОДЫ.
ПРИЛОЖЕНИЕ.
П. 1. Очистка суспензий от фотокатализаторов методом
ультрафильтрации
П.2. Ультрафильтрация наночастицна мембранах анодного оксида алюминия
6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Введение
Актуальность


Впервые показано, что при максимальном ограничении конвекционных потоков направление роста наностержней 0 определяется текстурой зерен фольги металлического цинка. Установлено, что для электрода, изготовленного из этого материала, квантовая эффективность в процессе фотоэлсктрохимичсского разложения воды максимальна при напряжении 0. Впервые разработана методика получения пленки нанокристаллического анатаза гидротермальной обработкой аморфного диоксида титана, выращенного на поверхности титановой фольги методом анодного окисления. Фотокаталитическая активность порошковых наноматериалов, синтезированных в настоящей работе гидротермальным методом и методом свсрхкритичсской сушки геля аэрогель на основе твердого раствора анатаза состава 7пхТм. ТЮ2 Р vi , что открывает перспективы их практического применения. Установлено, что в реакции фотокаталитического разложения метиленового синего в водном растворе на образцах синтезированного гидротермальным методом перовскитоподобного титаната натриянеодима i при облучении видимым светом протекает с высокой скоростью в 3,5 раза большей, чем у образца, полученного твердофазным синтезом, что представляет практический интерес. Электроды с величиной квантовой эффективности г 0. Полученные в настоящей работе результаты используются в читаемых студентам и аспирантам химического факультета МГУ и факультета наук о материалах МГУ специальных курсах Химия функциональных материалов, Современные проблемы материаловедения, Химия наноматсриалов, Физикохимия и технология материалов, Нанохимия. Результаты работы могут быть также использованы в организациях, применяющих методы синтеза неорганических веществ и материалов с применением гидротермальных и свсрхкритических растворов, а также изучением фотокаталитичсских процессов Институт физической химии и электрохимии имени А. Н.Фрумкина РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт общей и неорганической химии имени Н. С.Курнакова РАН, Институт металлургии и материаловедения имени А. А.Байкова РАН, Институт химии силикатов имени И. В.Гребенщикова РАI, Институт катализа имени Г. К.Борескова СО РАН. Институт кристаллографии РАН, СанктПетербургский государственный университет, Новосибирский Национальный исследовательский государственный университет, Воронежский государственный университет и других организациях. Настоящая работа выполнена с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского университета, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований гранты 4а и 3а, Программы Президента РФ по поддержке ведущих научных школ грант НШ3, а также в рамках ФЦП Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на годы грант . В основу диссертации положены результаты научных исследований, выполненных непосредственно автором в период гг. Неорганического материаловедения кафедры Неорганической химии Химического факультета МГУ имени М. В.Ломоносова и в лаборатории фотокаталитических исследований кафедры химической технологии Химического факультета Рурского Университета г. Бохум, Германия. Личный вклад автора заключается в синтезе образцов наноматериалов, исследовании их физикохимических свойств, фотокаталитичсской активности в реакции разложения воды, в обработке и обобщении полученных результатов и литературных данных, формулировке выводов, подготовке научных публикаций. В выполнении отдельных разделов работы принимали непосредственное участие студенты Факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова Белич и Д. Ю. Гаврилова, у которых автор являлся руководителем курсовой работы и соруководителем магистерской диссертации по неорганической химии, соответственно. Апробация работы и научные публикации. Всероссийская конференция по нано. Конференция молодых ученых Актуальные проблемы неорганической химии наноматериалы, их исследование и модификация при помощи синхротронного излучения, , Звенигород, Всероссийская молоджная конференция Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества , Москва, Международная конференция Наноструктурированные системы в солнечной энергегике , Испания.