稀土离子掺杂TiO介孔材料的制备与可见光催化性能的研究

摘要

介孔材料由于具有规则的孔道结构、孔径大小连续可调、水热稳定性好等优点，在催化、吸附、分离、电子器件、传感器等诸多领域有潜在的应用价值，引起材料科学界的广泛关注，成为新材料领域的一个研究热点。以TiO<,2>为代表的纳米半导体在光催化、水的净化及大气污染治理等方面显示出了突出的应用价值。但光催化技术真正大规模应用于有机污染物体系还存在诸如光利用率低、催化剂难回收等问题。 本文以非离子表面活性剂三嵌段共聚物P123(聚环氧乙烯醚．聚环氧丙烯醚-聚环氧乙烯醚)和聚乙二醇(PEG)为复合模板剂，采用溶胶．凝胶法制备了掺杂La<'3+>、Y<'3+>、Nd<'3+>等稀土离子及双稀土离子共掺杂的系列TiO<,2>介孔材料。研究了模板剂用量、模板剂与钛源比、溶液酸度、焙烧温度等制备条件对材料结构和性能的影响。得到TiO<,2>介孔材料最佳制备条件为：配比为Acac：TBOT=1：18(体积比)时，pH为4.0，凝胶时间24h。以P123和：PEG为复合模板剂，调配两者之间的亲水亲油值(HLB)，能使临界胶束浓度(CMC)降低，模板剂与钛源比为1：10时所制得的TiO<,2>材料的介孔结构有序性好。 XRD分析表明，经500℃焙烧后，介孔结构稳定；随着焙烧温度的升高，介孔结构开始坍塌。掺杂Y，La等稀土元素对提高介孔结构的热稳定性起到一定的辅助作用。TEM分析得到所制备的系列介孔材料具有层状结构。N<,2>吸附-脱附研究表明，材料的孔径为2.5～12nm；模板剂用量越大，得到的孔径相对越大，比表面积也相应增加。FT-IR结果表明，在500℃下焙烧，能较好地脱除模板剂。 利用甲基橙及罗丹明B为模拟反应物，对所制备的系列介孔材料的液相光催化活性进行了研究。结果表明：锐钛矿型的TiO<,2>比金红石晶型的TiO<,2>具有更高的光催化活性，而混晶型结构的TiO<,2>更有利于电子．空穴的分离，较前两种晶型结构的样品具有更好的光催化活性。经稀土离子掺杂后，能明显提高其催化活性，其中Y<'3+>掺杂的TiO<,2>催化活性最高且稀土离子的掺杂最佳浓度为1％(摩尔比)。此外，同中性条件相比，甲基橙溶液在酸性条件下更能被光催化降解。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1介孔材料简介

1.2用作模板剂的表面活性剂

1.2.1表面活性剂作用机理

1.2.2表面活性剂分类

1.2.3介孔材料合成中常用模板剂种类

1.2.4 Pluronic嵌段共聚物

1.3介孔材料的介观结构

1.4介孔材料的合成机理

1.4.1液晶模板机理

1.4.2协同作用模板机理

1.4.3“酸碱对”理论

1.5 TiO2介孔材料的模板法合成

1.5.1离子表面活性剂模板

1.5.2非离子表面活性剂中性模板

1.5.3有机小分子模板

1.6 TiO2光催化技术

1.6.1半导体光催化技术

1.6.2 TiO2的晶型结构与光催化活性

1.6.3 TiO2光催化性能提高的途径

1.7影响TiO2介孔材料形态结构及光催化活性的因素

1.7.1影响TiO2介孔材料形态结构的因素

1.7.2影响TiO2介孔材料光催化活性的因素

1.8 TiO2介孔材料光催化的应用

1.8.1降解有机污染物

1.8.2无机污染物的光催化处理

1.8.3大气污染治理

1.9 TiO2介孔材料研究展望

1.10本课题的主要内容

第二章实验部分

2.1原料及化学试剂

2.2实验仪器

2.3合成装置及光催化实验反应装置

2.4工艺流程

2.4.1介孔TiO2合成的工艺流程

2.4.2纳米TiO2及稀土离子掺杂纳米TiO2的制备

2.5介孔材料的表征方法

2.5.1 X射线衍射分析(XRD)

2.5.2 N2吸附-脱附测试

2.5.3傅立叶变换红外光谱(FT-IR)分析

2.5.4透射电子显微镜(TEM)分析

2.6光催化降解实验

2.6.1甲基橙溶液标准曲线的绘制

2.6.2罗丹明B溶液标准曲线的绘制

2.6.3空白试验

2.6.4无光照下介孔TiO2对甲基橙溶液的吸附实验

2.6.5光催化降解实验

第三章TiO2介孔材料的合成及其表征

3.1介孔TiO2的合成及其影响条件

3.1.1介孔TiO2的形成过程

3.1.2抑制剂的影响

3.1.3 pH值的影响

3.1.4模板剂用量的影响

3.2 TiO2介孔材料的表征

3.2.1 XRD分析

3.2.2傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析

3.2.3透射电子显微镜(TEM)分析

3.2.4 N2吸附-脱附测试

3.3本章小结

第四章介孔TiO2可见光降解甲基橙性能研究

4.1催化剂晶型结构对光催化活性的影响

4.2稀土元素掺杂对光催化活性的影响

4.2.1不同种类稀土离子掺杂的影响

4.2.2离子掺杂浓度的影响

4.2.3双稀土离子共掺杂的影响

4.3光降解反应条件对光催化活性的影响

4.3.1光降解反应溶液酸度的影响

4.3.2催化剂用量的影响

4.4本章小结

第五章稀土掺杂纳米TiO2可见光催化性能的研究

5.1焙烧温度对光催化活性的影响

5.2 Gd3+及其掺杂量对光催化活性的影响

5.3双稀土离子共掺杂对光催化活性的影响

5.4介孔TiO2材料与纳米TiO2材料的比较

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文、参加的学术会议和课题

致谢

评定意见