非均匀掺杂TiO粉末的制备、表征及其UV光催化性能研究

摘要

本文致力于TiO<,2>粉末光催化剂的掺杂改性研究。通过溶胶-凝胶法制备了Fe、Mn、v、Mo离子掺杂的TiO<,2>，采用XRD、TEM、XPS和UV-Vis等技术对样品进行了表征，通过对甲基橙的光催化降解动力学来验证催化剂的光催化活性，并讨论了不同掺杂方式、掺杂离子种类、离子掺杂浓度，以及掺杂量等影响TiO<,2>催化性能的可能原因。 研究表明： (1)不同掺杂方式下掺杂不同离子对TiO<,2>晶相和颗粒粒径有很大影响。500℃煅烧时样品均为锐钛矿相：在适量掺杂浓度下，掺入不同金属离子能不同程度地抑制TiO<,2>晶粒的长大。以均匀掺杂制得的样品TMx作掺杂剂掺入纯TiO<,2>中(非均匀掺杂)，所得样品的粒径比相对应的掺杂剂粒径要大。 (2)XPS结果显示，样品中Tj主要以+4价存在，存在表面吸附氧、表面羟基、Ti-O键中的氧三个氧物种，非均匀掺杂样品表面掺杂离子的含量极低，XPS只检测出微弱的，甚至检测不出掺杂元素的特征峰。 (3) 由于掺杂方式、掺杂离子的不同，TiO<,2>粉末的光吸收带边随着掺杂离子浓度、TMx掺杂量等变化呈现不同的漂移。 (4)采用均匀掺杂方式对TiO<,2>进行掺杂改性，不同掺杂离子具有不同的最佳掺杂浓度，但TiO<,2>催化性能的提升效果不明显，甚至会降低其催化活性。这是由于均匀掺杂时，金属离子捕获光生电子或空穴的同时又可能成为表面电子-空穴对的复合中心，从而降低了TiO<,2>的催化活性。 (5)采用非均匀掺杂方式降低了掺杂离子在TiO<,2>表面的分布，增加了光生电子与空穴的分离效率，延长了激发电子的寿命，抑制了载流子的复合，光催化活性增强，具有最佳离子掺杂浓度和最佳TMx掺入量。四种离子对TiO<,2>最终改性效果由高到低排列顺序为：Fe>V>Mo>Mn，它们活性最佳样品的表观速率常数分别是纯TiO<,2>表观速率常数的6.04、3.45、2.81和1.72倍。 (6)在非均匀掺杂方式下，对V/TiO<,2>再进行改性研究，使V离子与痕量N形成共掺杂，样品的吸收光由蓝移转为红移，催化效率更高。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1半导体光催化的发展

1.2半导体光催化机理

1.2.1半导体复合理论

1.2.2光催化机理

1.3半导体催化剂的制备方法

1.3.1气相合成法

1.3.2液相合成法

1.4半导体光催化剂存在的问题与改性

1.4.1贵金属沉积

1.4.2金属离子掺杂

1.4.3非金属元素掺杂

1.4.4半导体复合

1.4.5表面光敏化

1.4.6表面酸化

1.5核壳型TiO2复合纳米材料研究

1.5.1核壳型TiO2纳米材料的分类及制备

1.5.2 TiO2作为核层的核壳体系

1.5.3 TiO2作为壳层的核壳体系

1.5.4 TiO2作为核壳结构载体的体系

1.6纳米TiO2光催化剂的应用

1.6.1废水处理

1.6.2空气净化

1.6.3抗菌、自清洁

1.7本课题研究的意义、内容及创新之处

1.7.1研究意义

1.7.2研究内容

1.7.3研究方法

1.7.4本课题的主要创新之处

第二章实验材料及研究方法

2.1实验材料、试剂与仪器

2.1.1实验材料与试剂

2.1.2实验仪器

2.2 TiO2光催化剂的制备

2.2.1纯TiO2光催化剂的制备

2.2.2均匀掺杂TiO2光催化剂的制备(M1掺杂方式)

2.2.3非均匀掺杂TiO2光催化剂的制备(M2掺杂方式)

2.3催化剂的表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)分析

2.3.2透射电镜(TEM)分析

2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)分析

2.3.4紫外—可见光谱(UV-Vis)分析

2.4 TiO2光催化性能评价

2.4.1光催化降解装置

2.4.2实验方法

2.4.3评价体系

第三章非均匀掺杂TiO2粉末及其光催化性能

3.1 Fe掺杂TiO2粉末的制备及其光催化性能

3.1.1 Fe掺杂TiO2粉末的制备

3.1.2 Fe掺杂TiO2粉末的表征

3.1.3 Fe掺杂TiO2粉末光催化性能评价

3.1.4结果与分析

3.1.5小结

3.2 Mn掺杂TiO2粉末的制备及其光催化性能

3.2.1 Mn掺杂TiO2粉末的制备

3.2.2 Mn掺杂TiO2粉末的表征

3.2.3 Mn掺杂TiO2粉末光催化性能评价

3.2.4结果与分析

3.2.5 小结

3.3 V掺杂TiO2粉末的制备及其光催化性能

3.3.1 V掺杂TiO2粉末的制备

3.3.2 V掺杂TiO2粉末的表征

3.3.3 V掺杂TiO2粉末光催化性能评价

3.3.4结果与分析

3.3.5 小结

3.4 Mo掺杂TiO2粉末的制备及其光催化性能

3.4.1 Mo掺杂TiO2粉末的制备

3.4.2 Mo掺杂TiO2粉末的表征

3.4.3 Mo掺杂TiO2粉末光催化性能评价

3.4.4结果与分析

3.4.5 小结

3.5本章小结

第四章V/TiO2在M2掺杂方式下的改性研究

4.1实验部分

4.1.1 H、N系列掺V/TiO2粉末的制备

4.1.2 V/TiO2粉末的表征

4.1.3 V/TiO2粉末光催化性能评价

4.2结果与分析

4.2.1 XRD分析

4.2.2 TEM分析

4.2.3 UV-Vis分析

4.2.4 V/TiO2的光催化性能评价

4.3本章小结

第五章掺杂改性TiO2粉末光催化影响机理初探

5.1掺杂离子种类对光催化性能的影响

5.2掺杂离子浓度对光催化性能的影响

5.3掺杂方式对光催化性能的影响

5.4改变TMx掺入量对光催化性能的影响

5.5 V与N共掺杂对光催化性能的影响

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见