镧铈混合掺杂纳米TiO2的制备及光催化性能研究

摘要

纳米材料所产生的小尺寸效应、界面效应和宏观量子隧道效应等使其在光、电、热、磁等物理性质和化学性质方面与常规材料相比，具有了许多奇异特性和新的特殊功能。以纳米半导体氧化物为催化剂的多相光催化是一种理想的环境污染治理技术，已成为近年来国际上最为活跃的研究领域之一。纳米TiO2以其氧化能力强、无毒无害、降解效率较高、无二次污染和成本低的特点而最为常用。TiO2纳米管具有比纳米粉体和薄膜更大的比表面积，纳米管的大比表面积提供了更多的反应活性位，更有利于需降解物质的吸附和反应；管状结构为电子的迁移和界面间的电荷转换提供了好的通道。利用稀土元素独特的4f电子结构，对TiO2进行稀土元素掺杂改性是常用的提高TiO2光催化活性的方法。纵观目前众多的稀土掺杂TiO2光催化研究，大都是单一稀土元素掺杂，稀土元素与过渡金属元素或非金属元素的双元素共掺杂，对双稀土混合掺杂研究报道极少。
　　本文采用溶胶-凝胶法成功制备了稀土镧铈混合掺杂TiO2纳米粉体。并且以该纳米粉为前驱物，利用微波法制备了稀土镧铈混合掺杂的TiO2纳米管，同时对它们进行光催化性能对比。利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱(XRF)等手段对试样形貌、结构和组成进行表征，并对其形成机理进行分析。以染料甲基橙为光催化反应模型化合物，分析了制备和降解等工艺对有机物光催化降解的影响。结果表明：
　　1.溶胶-凝胶法制备的TiO2粉体颗粒均匀，粒径在10-20nm之间。掺杂对粉体的粒径有较大影响，掺杂后的粉体粒径比未掺杂的粒径小，说明掺杂抑制了纳米晶体的生长。稀土离子掺杂还可以抑制相变，提高了TiO2由锐钛矿型转变为金红石型的温度。
　　2.以TiO2纳米粉为前驱物，采用微波法可以制得形貌比较完整的TiO2纳米管。在电镜下观察到，TiO2纳米管是开口、中空管，直径基本一致，掺杂镧铈的TiO2纳米管外径约为10-15nm，内径约为4~8nm，长约50~80nm。
　　3.以甲基橙为目标降解物，在15W紫外光源照射下，经150min，对纳米粉和纳米管材料进行了光催化研究，实验结果表明，La、Ce共掺提高了TiO2纳米粉和纳米管的光催化活性。活性的提高可以归功于以下几个有利作用：在紫外可见范围的强烈吸收、氧空穴的生成、表面吸附能力的增强等。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 稀土掺杂纳米TiO2的概况

1.3 TiO2纳米管的制备及应用

1.4 纳米TiO2光催化剂的改进

1.5 本文的研究目的和主要研究内容

2 镧铈混合掺杂TiO2纳米粉的制备及表征

2.1 试剂与仪器

2.2 混合掺杂TiO2纳米粉的制备方法

2.3 表征与分析

2.4 本章小结

3 镧铈混合掺杂TiO2纳米管的制备及表征

3.1 试剂与仪器

3.2 混合掺杂TiO2纳米管的制备方法

3.3 试验结果与评价

3.4 本章小结

4 镧铈混合掺杂纳米TiO2的光催化性能

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 结果与分析

4.4 镧铈混合掺杂纳米TiO2提高光催化性能机理研究

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