摘 要

本研究首先通过静电纺丝加煅烧的方法制备得到TiO₂纳米纤维，然后通过油浴加热的方法将Ni(OH)₂纳米片沉积在TiO₂纳米纤维上，最后通过常温搅拌的方法进行硫化制备得到TiO₂-NiS复合纳米纤维材料。NiS作为一种助催化剂复合到TiO₂上，能够有效地增强TiO₂的光催化产氢性能，因此具有取代传统贵金属助催化剂（如Pt）的潜力。我们发现将NiS作为助催化剂复合到TiO₂纳米纤维上，能够有效增加TiO₂的光生电子和空穴的分离效率，并且研究了不同NiS含量下的TiO₂纳米纤维材料的光催化产氢性能。我们发现在NiS含量为10 ％时，TiO₂-NiS复合纳米纤维材料具有最高的光催化产氢活性。制备TiO₂-NiS复合纳米纤维材料的过程十分简单，相较于传统沉积贵金属增强TiO₂光催化产氢效率的方法成本更低廉，具有很大的研究前景。

关键词:TiO₂纳米纤维；NiS助催化剂；静电纺丝法；光催化产氢

Abstract

In this study, titanium dioxide (TiO₂) nanofibers were firstly prepared by electrospinning and calcination. Then Ni(OH)₂ nanosheets were deposited on the TiO₂ nanofibers by oil bath heating. Finally, TiO₂-NiS composite nanofibers were prepared by NaHS treatment under stirring at room temperature. NiS serves as a co-catalyst which can effectively enhance the photocatalytic hydrogen production of TiO₂. Therefore, NiS has the potential to replace the traditional noble metal co-catalysts such as platinum. We found that NiS as a co-catalyst can efficiently increase the separation efficiency of the photogenerated electrons and holes. In addition, we studied the photocatalytic hydrogen production performance of TiO₂-NiS composite nanofibers with different NiS contents. When the NiS content was 10 %, the TiO₂-NiS composite nanofibers had the highest photocatalytic hydrogen production rate. Moreover, the preparation process of TiO₂-NiS composite nanofibers is very simple. Compared with the traditional deposition of noble metal to enhance the photocatalytic hydrogen production efficiency of TiO₂, the preparation of the TiO₂-NiS composite is more cost-effectiveand and has a promising research prospect.

Key words:TiO₂ nanofiber; NiS co-catalyst; electrospinning method; photocatalytic hydrogen production

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 二氧化钛的相结构 2

1.3 二氧化钛光催化分解水产氢机理 3

1.4 二氧化钛的制备方法 3

1.4.1 化学水解法 3

1.4.2 溶胶-凝胶法 4

1.4.3 水热法 4

1.4.4 静电纺丝法 5

1.5 二氧化钛光催化剂存在的问题和提高活性的方法 7

1.5.1 非金属掺杂 7

1.5.2 金属离子掺杂 7

1.5.3 贵金属沉积 7

1.5.4 半导体复合 8

1.5.5 表面染料敏化 9

1.6 本文的研究思路及创新点 9

1.6.1 研究思路 9

1.6.2 创新点 9

第二章 实验设计 10

2.1 实验内容 10

2.1.1 TiO₂-NiS复合纳米纤维材料的制备与表征 10

2.1.2光催化产氢性能的研究 10

2.2 试剂与仪器 10

2.2.1 实验所用试剂及原料 10

2.2.2 实验所需设备和仪器 11

2.3 实验步骤 12

2.3.1 静电纺丝法制备TiO₂纳米纤维 12

2.3.2 油浴加热制备TiO₂-Ni(OH)₂复合纳米纤维 12

2.3.3 常温水溶液搅拌硫化制备TiO₂-NiS复合纳米纤维 13

2.4 样品表征及测试 13

2.4.1 X射线衍射分析(XRD) 13

2.4.2 扫描电子显微分析(SEM) 13

2.4.3 透射电子显微分析(TEM) 13

2.4.4 紫外可见漫反射吸收光谱(UV-Vis) 13

2.4.5 氮气吸附-脱附等温线 13

2.4.6 X射线光电子能谱分析(XPS) 14

2.4.7 电化学阻抗谱分析(EIS) 14

2.4.8 光催化产氢性能测试 14

第三章 实验结果分析与讨论 15

3.1 物相分析 15

3.2 微观形貌 16

3.3 紫外可见漫反射光谱 17

3.4 比表面积和孔径分布 18

3.5 X射线光电子能谱分析 19

3.6 电化学阻抗谱分析 20

3.7 光催化产氢活性 21

3.8 TiO₂-NiS复合纳米纤维光催化活性增强机理 21

第四章 结论 23

参考文献 24

致谢 27

第一章 绪论

1.1 研究背景

在科技和经济迅速发展的当代，人们对能源的依赖性越来越强。现在人类使用的主要能源仍为化石能源，导致CO₂排放量较高，从而加剧了全球温室效应^[1]。为实现可持续发展的目标，新能源的开发和环境污染的治理已成为亟待解决的两大难题。近年来，半导体光催化技术由于具有清洁、无毒、高效等特点，为开发新型能源和治理环境污染开辟了一条新道路^[2-3]。半导体光催化材料可以利用太阳能处理空气中或者水中的有毒有害物质，以达到改善环境的目的，同时它还可以利用太阳光直接分解水产氢，将太阳能转化为易于存储、洁净的化学能，从根本上解决来自于能源和环境的两大挑战^[4-5]。

光催化近几年来成为广泛研究的方向之一。自从Honda和Fujishima^[6]发现二氧化钛电极上光电催化分解水制氢以来，二氧化钛光催化技术在新能源的开发和环境污染治理的研究逐渐成为热点。二氧化钛具有物理化学性质稳定、价格低廉、催化活性高、抗光腐蚀和化学腐蚀的特性，是目前主流的光催化材料，在解决能源短缺和治理环境污染方面潜力无限^[7-8]。以二氧化钛为基体的多相光催化反应过程，可直接吸收太阳光中的紫外光，通过氧化-还原反应来降解有害物质，有效缓解环境污染。光催化过程能够深度氧化各种有机污染物，还原重金属和有毒离子以及杀菌、消毒。在实际生产上，利用光催化材料做成薄膜后的超亲水性和光催化活性研制开发出具有自洁净膜功能材料，这使得光催化技术能够实际产业化，以半导体光催化技术为核心的产业链正在逐步形成^[9-10]。除此之外，二氧化钛半导体材料由于其优异的性能也正逐步运用到各行各业中。