二氧化钛与纳米复合材料的制备、计算及性能研究.pdf

三峡大学硕士学位论文
内容摘要

纳米材料至少有一个维度上的尺寸处于纳米量级,出现了许多新的量子现象以及
奇特性质,如小尺寸效应,量子尺寸效应,表面效应和宏观量子隧道效应等性质,因
而在电、磁、光、力学、催化和医药等方面具有广阔的应用前景。
本文的研究内容主要有两部分,一是制备二氧化钛纤维和二氧化钛/石墨烯复合
材料,以此解决纳米二氧化钛分离回收难和可见光利用率低的问题,二是构建了四种
碳纳米管/石墨烯 T 型复合结构模型,并利用第一性原理研究了该复合材料的结构,
电学和场发射性质,这对碳纳米管/石墨烯新材料在实验上的制备与实际应用具有一
定的指导意义。本文共分五章,具体内容安排如下:
第一章介绍了相关的基本知识,本论文的研究背景、意义和主要工作。
第二章采用低温水热法制备了二氧化钛纤维,并对样品进行的 XRD,SEM 和
HRTEM 表征显示,该纤维由纳米棒自组装而成,纤维的长度约为 1~2mm,直径约
为 15µm,分散性良好。紫外可见光(UV-vis)吸收谱图显示该样品的能隙能量 Eg = 3.
0eV,降解 RhB 实验表明该样品在可见光下的催化能力优于商用 P25。
第三章介绍了氧化石墨烯及二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法,然后通过正
交试验得到了该复合材料最优的实验条件。采用 XRD,SEM 和 BET 对复合光催化材
料的物相、颗粒粒径、形貌及比表面积进行了表征,结果表明,产物中的 TiO2 为锐
钛矿晶型,其平均粒径约为 18nm。复合材料的比表面积为 170m²/g,平均孔径为
。在可见光照射下(λ>420nm)下以 TiO2/石墨烯为光催化剂对有机染料罗丹明
B(Rhodamine B, RhB)进行光催化降解,对照 P25 及相同条件下制备的 TiO2 进行比较,
结果表明其光催化活性明显高于商用 P25 和相同条件下所制备的 TiO2。
第四章基于密度泛函理论(DFT)下的第一性原理,采用广义梯度近似(GGA),对
碳纳米管/石墨烯复合结构进行了几何结构优化,分析了该复合结构的结合能,能带
结构,Mulliken 电荷分布及功函数。结果表明复合结构均表现出半导体性质,其稳定
性及电子结构取决于碳纳米管类型和复合结构的连接方式,而且复合材料的功函数要
低于碳纳米管,在场发射方面具有潜在的应用价值。
第五章对全文进行总结并对后续研究加以展望。
关键词:水热法光催化石墨烯二氧化钛/石墨烯复合材料二氧化钛纤维密
度泛函理论碳纳米管/石墨烯复合结构


II
三峡大学硕士学位论文
Abstract

The nanomaterials have one or more dimensions at the nanometer magnitude, and so
that they exhibit a lot of new quantum effects and unique properties, such as small-size
effect, quantum size effect, surface effect, macroscopic quantum tunnaling effect and so on.
The nanomaterials have potential applications in electric, ic, optiacl, mechanic,
catalysis and medicine.
The whole paper contains two important aspects: one is the synthesis of TiO2 fibers
and TiO2/posites, which aim to deal with difficult recycle and low utilization
ratio of visible light. And the other one includes four kinds of T-type carbon
nanotube/graphene materials, and analyzes their structures, electricities and field emissions
through first-principles DFT-GGA methods, which have important directive to
experimental synthesis and application of carbon nanotube/g