稀土钆、钇掺杂二氧化钛纳米管光致发光及光催化性能的研究

摘要

半导体的光催化性能在太阳能和环保中有广阔的应用前景。其中TiO2具有无毒、价格低廉、抗光腐蚀以及稳定的化学性质而备受研究者青睐。但对于纯的纳米TiO2而言，在光催化过程中存在激发的电子-空穴对容易复合、太阳能利用率等缺点，降低了其光催化效率，严重限制其广泛应用。为提高TiO2的光催化性能，对纳米TiO2进行改性成为研究热点。稀土元素通过提高纳米TiO2的氧空穴和缺陷浓度、降低电子和空穴的复合率，进而提高光催化性能。另外相对TiO2纳米粉而言，纳米管具有更大的比表面积，因而具有优异的光催化性能。以上原因使得研究稀土掺杂的TiO2纳米管对提高其光催化性能具有重要意义。
　　本文采用溶胶-凝胶法制备不同温度煅烧及稀土Gd、Y掺杂的TiO2纳米粉，并以此为前驱物，利用微波水热合成法制备相应的TiO2纳米管。采用场发射扫描电镜(FESEM)，场发射透射电镜(FETEM)，X射线衍射仪(XRD)和荧光光谱仪(FS)对样品进行表征。考察微波水热合成法对TiO2纳米粉晶型、形貌和结晶度的影响以及稀土Gd、Y不同掺杂量对TiO2纳米粉及纳米管形貌、结晶度、光致发光性能和光催化性能的影响。
　　结果表明，煅烧温度的提高使TiO2纳米粉晶粒粒径增大。以不同温度煅烧纳米粉为前驱物，微波水热合成法制备的TiO2纳米管形貌基本不发生变化。另外微波水热合成法能使600℃和700℃煅烧的TiO2由锐钛矿向金红石转变，而500℃煅烧的TiO2的晶型未发生变化。
　　稀土Gd、Y元素的掺杂含量直接影响TiO2纳米粉粒径大小。随着掺杂Gd、Y掺杂量的增加，其粒径均不同程度的减小。掺杂2％的Gd或Y元素的TiO2纳米粉粒径最小，分别达到10.3nm和9.3nm。而稀土Gd、Y元素掺杂对TiO2纳米管的形貌影响不大。另外其结晶度随着Gd、Y元素掺杂含量的增加而降低，适当掺杂Gd、Y元素有助于纳米管保持一定的结晶度，其原因有待进一步探究。
　　掺杂的Gd、Y元素可进入纳米TiO2晶格中，导致氧空穴和缺陷浓度变化，其光致发光性能随着掺杂含量的增加，呈现先增加后降低的变化趋势。实验结果表明，对于掺杂稀土 Gd元素的 TiO2纳米粉，Gd含量为0.5%时 FS强度最大；含量为0.2%和0.5%时纳米管的FS强度最大。对于掺杂稀土Y元素的TiO2纳米粉，Y含量为0.5%时FS强度最大；含量为1%时纳米管的FS强度最大。
　　掺杂稀土Gd、Y可提高氧空穴和缺陷浓度，降低电子-空穴对复合，从而明显提高纳米TiO2的光催化性能。对比纯的TiO2纳米粉，掺杂稀土Gd、Y的TiO2纳米粉光催化性能分别提高44.7%和40%。对比纯的TiO2纳米管，掺杂稀土Gd、Y光催化性能的TiO2纳米管光催化性能分别提高71%和27.7%。其中掺杂Gd和Y的TiO2纳米粉和纳米管的光催化性能最佳值的掺杂量均在0.5%和1%取得。掺杂Gd，Y元素的纳米TiO2的荧光光谱和光催化性能的变化趋势一致，但最优掺杂含量值不同。表明光致发光性能可以大致快速评估分别掺杂Gd、Y元素的纳米TiO2的光催化性能，但其缺乏精确评估能力。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 TiO2的概况

1.3 纳米TiO2光催化剂活性影响因素及改性方法

1.4 稀土掺杂TiO2的研究现状

1.5 研究目的，研究内容及技术路线

2 微波水热合成法制备TiO2纳米管及其晶型和形貌的研究

2.1 实验

2.2 XRD物相分析

2.3 SEM与TEM的形貌分析

2.4 溶胶-凝胶法制备TiO2纳米粉反应机理

2.5 微波水热合成法制备TiO2纳米管反应机理

2.6 钆、钇掺杂TiO2纳米粉煅烧工艺的设计

2.7 结论

3 掺杂Gd的纳米TiO2的制备、表征及性能研究

3.1 实验

3.2 掺杂Gd的TiO2纳米粉分析与表征

3.3 掺杂Gd的TiO2纳米管的分析与表征

3.4 掺杂Gd的纳米TiO2光致发光性能与光催化性能的研究

3.5 本章小结

4 掺杂Y的纳米TiO2的制备、表征及性能研究

4.1 实验

4.2 掺杂Y的TiO2纳米粉分析与表征

4.3 掺杂Y的TiO2纳米管的分析与表征

4.4 掺杂Y的纳米TiO2光致发光性能与光催化性能的研究

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读学位期间发表的论文