基于不同元素掺杂TiO2纳米结构的制备及其光催化性能研究

摘要

半导体光催化材料可以将太阳能转化为能直接利用的二次能源，在光解水产氢和光降解污染物等领域具有良好的应用前景。TiO2作为光催化领域的基准材料，备受关注。本论文采用离子吸附和碳球模板法，制备了不同元素掺杂的锐钛矿TiO2超薄纳米空心球结构。通过各种表征手段对其形貌、结构和光学特性进行了表征分析，研究了异质元素掺杂对锐钛矿TiO2内部结构的改变，通过光催化性能测试，分析了不同浓度不同元素掺杂对锐钛矿TiO2光催化活性的影响。
　　本论文的主要研究内容和结论如下：
　　1.采用离子吸附和碳球模板法成功制备了不同浓度Na掺杂的TiO2超薄纳米空心球结构。通过掺杂碱金属元素Na，拓宽了半导体材料TiO2的禁带宽度，提高了材料的氧化还原电位。原位光沉积负载Pt作为助催化剂，成功实现了Na掺杂锐钛矿TiO2在紫外光照下的光催化全分解水。
　　2.采用离子吸附和碳球模板法制备了Mg掺杂的TiO2超薄纳米空心球结构，并研究了不同浓度的Mg离子对其光催化性能的影响。碱土金属元素Mg掺杂拓宽了半导体光催化剂TiO2的禁带宽度，并且有效抑制了锐钛矿TiO2空心球内部的固有缺陷态，从而实现了在太阳光驱动下催化全分解水。在光催化过程中，Mg掺杂TiO2空心球样品表现出了稳定、高效的全分解水性能。其中0.5％Mg-TiO2空心球在350nm紫外光驱动下催化全分解水的量子效率高达19.4%。
　　3.采用离子吸附和碳球模板法制备了不同浓度Ni掺杂的TiO2纳米空心球结构。过渡金属元素Ni掺杂窄化了锐钛矿TiO2的带隙，一方面增加了锐钛矿TiO2空心球对光能的利用率，另一方面却降低了纯锐钛矿TiO2的还原电位，增加了光生载流子的复合机率。由于这两个方面的影响，在光催化半分解水过程中，不同浓度Ni掺杂TiO2纳米空心球的催化性能表现出了明显不同。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 半导体光催化分解水概述

1.3 半导体TiO2光催化剂介绍

1.4 本课题研究的主要内容和意义

第2章 样品制备与表征

2.1 引言

2.2 实验仪器和试剂

2.3 碳球模板制备方法及纳米空心球结构的制备原理

2.4 样品光催化性能测试

第3章 Na掺杂TiO2纳米空心球结构的光催化性质研究

3.1 引言

3.2 样品制备

3.3 样品表征与分析

3.4 样品光催化性能测试与分析

3.5 本章小结

第4章 Mg掺杂TiO2纳米空心球结构的光催化性质研究

4.1 引言

4.2 样品制备

4.3 样品表征与分析

4.4 样品光催化性能测试与分析

4.5 本章小结

第5章 Ni掺杂TiO2纳米空心球结构的光催化性质研究

5.1 引言

5.2 样品制备

5.3 样品表征与分析

5.4 样品光催化性能测试与分析

5.5 本章小结

结 束 语

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间发表的学术论文