Fe3+/B掺杂TiO2纳米管阵列的制备及其可见光催化性能研究

摘要

纳米级TiO2光催化剂作为当前最具应用潜力的一种宽禁带n型半导体材料因其具有氧化能力强、化学稳定性能好、光催化效率高、不产生二次污染、对低浓度污染物及气相污染物都有很好的祛除效果且对污染物吸附能力强等优点而备受关注,有望成为最具应用前途的绿色环保型催化剂。TiO2纳米管阵列是TiO2粉体的一种存在形式,因其具有更大的比表面积、更高的光催化活性和更强的吸附能力,使其在光催化降解、光解水制氢、染料敏化太阳能电池、传感器材料等领域具有广泛的应用前景。与传统的TiO2粉体一样,TiO2纳米管是宽禁带半导体(3.2eV,吸收波长387nm),需要在紫外光的激发下才能显示催化活性,光能利用率低,同时光生电子-空穴对极易复合,导致量子效率低。针对以上缺点本文尝试用离子进行掺杂,目的一是将捕获阱引入到TiO2晶格中,有效分离光激发产生的电子-空穴对,提高光催化剂的效率;二是降低光生电子的激发能量,使其激发光源波长范围向可见光方向移动。
　　 本论文以金属离子Fe、非金属离子B元素为掺杂源对TiO2纳米管进行修饰改性,利用阳极氧化法制备了金属、非金属掺杂及金属／非金属共掺杂的TiO2纳米管阵列,通过电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等对样品的表面形貌、晶型转变、晶相组成、可见光吸收性能等进行了考察,并以甲基橙为目标降解物模拟有机废水,以太阳光为光源,以掺杂改性的TiO2纳米管阵列为光催化剂研究了其可见光光催化活性。得到了以下结果:掺杂元素和掺杂量对纳米管阵列的形貌、晶型及可见光光催化活性都有较大的影响,且每种掺杂离子的加入浓度都存在一个最佳值,加入量太高或太低都会影响其各方面的性能。经适当比例的离子掺杂改性,纳米管阵列的表面形貌得以改善,平均管长高达2μm,光催化性能得以提高,光响应范围也向可见光区域有不同程度的拓展。