微波诱导燃烧法制备锶、钇、银掺杂TiO2纳米材料及其光催化性能研究

摘要

随着经济、科学技术的发展，环境污染变得越加严重，近几年来，环境问题已受到人们越来越多的关注。半导体材料已广泛应用于环境污染处理上，如ZnO、CdS、TiO2、Fe2O3、Bi12TiO20等，在这些半导体材料中，TiO2因其来源丰富，价格低廉，无毒，化学性质稳定，良好的光催化性能等优点成为研究者们研究的热点。TiO2能够光催化降解大部分有机物，降解产物为CO2、H2O和无机酸等物质，无二次污染，因此成为21世纪最有潜力的新型能源。但是TiO2禁带宽度为3.2eV，只能吸收紫外波长，对可见光利用率低，光生电子-空穴容易复合，回收困难，使其在实际应用中受到一定限制。因此研究者们针对上述问题做了进一步研究，主要包括掺杂金属元素，非金属元素，沉积贵金属元素，以及半导体复合等方法来改性TiO2，可增加其在可见光下的吸收，减缓光生电子-空穴对复合速率，且光降解后容易回收。改性的合成方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、微波辅助法、溶液燃烧法等。本次研究主要是通过微波诱导燃烧方法制备Sr、Y、Ag掺杂二氧化钛纳米材料及其光催化性能研究，具体研究结论如下：
　　（1）以尿素为燃料，钛酸丁酯为钛源和氧化剂，硝酸锶为掺杂离子，采用微波诱导燃烧法制备 Sr掺杂的二氧化钛纳米材料，用 XRD、FT-IR、SEM、XPS、UV-Vis表征样品，研究了掺锶量对样品光催化效率影响。XRD表明掺杂 Sr有利于锐钛矿生成，并抑制晶粒晶化；FT-IR表明掺纯TiO2和掺杂Sr的TiO2样品中均无有机物残留，并且掺杂后没有新的物质产生。SEM表明掺杂后样品比表面积更大；XPS表明Ti元素以Ti4+形式存在，Sr元素以Sr2+形式存在；紫外-可见漫反射（UV-Vis）表明制得样品禁带宽度均小于3.2eV,说明样品可以吸收可见光。合成样品在紫外光下降解浓度为20mg/L甲基橙溶液20min，结果表明，纯TiO2降解率为52.4％，掺杂Sr样品比纯TiO2光催化效率高，且随着掺Sr量的增加，光催化效率先增大后减小。当掺Sr量为0.5%时，达到最大光催化效率，其最大降解率为95.6%；当掺Sr量为1.0%，光催化降解率为93.4%。
　　（2）以尿素为燃料，钛酸丁酯为钛源和氧化剂，硝酸钇为掺杂离子，采用微波诱导燃烧法制备Y掺杂的二氧化钛纳米材料，XRD表征得到掺杂Y有利于生成锐钛矿相，抑制晶粒生长；紫外-可见漫反射（UV-Vis）表明制得的样品在可见光范围有部分吸收；在紫外光下催化降解浓度为20mg/L甲基橙20min，掺杂Y的样品催化效率均高于纯 TiO2（52.4%）的降解效率，且随着掺 Y量的增加，光催化效率先增加后降低。当掺Y量为1.5%时，催化效果最佳，其降解率为95%；当掺Y量为2.0%时，降解率为91.5%。
　　（3）以尿素为燃料，钛酸丁酯为钛源和氧化剂，硝酸银为掺杂离子，采用微波诱导燃烧法制备Ag掺杂的二氧化钛纳米材料，并用XRD、FT-IR、SEM、XPS、UV-Vis表征样品。XRD表征得到所制备样品均为混晶，并且Ag能够抑制金红石相生成；SEM表征得掺杂后样品形貌更分散，为细小颗粒状；XPS表征得到掺杂样品中的Ag元素以单质Ag形式存在；UV-Vis表明样品发生明显的红移，在可见光区有较强的吸收。在紫外光下降解浓度为20mg/L甲基橙溶液20min，考察了掺杂量对光催化效果影响，当掺银量为1.0%时，光催化效率最大，其降解率为98.1%。在可见光下降解浓度为20mg/L甲基橙溶液3h，结果表明，随着掺银量的增加，光催化效率先增加后降低，当掺银量为1.0%时，催化效率最佳，其降解率为82.7%，当掺银量为1.5%时，降解率为77%。

目录

1 绪 论

1.1 TiO2概述

1.2 二氧化钛制备方法

1.3二氧化钛的改性研究

1.4纳米二氧化钛的应用

1.5本课题的研究意义

1.6本课题研究内容

2 微波诱导燃烧法制备Sr掺杂TiO2纳米材料及其光催化性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4 小结

3 微波诱导燃烧法制备Y掺杂TiO2纳米材料及其光催化性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4小结

4 微波诱导燃烧法制备Ag掺杂TiO2纳米材料及其光催化性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文题目