碳修饰Ti3+掺杂多孔结构TiO2及其光催化性能研究

摘要

TiO2因其廉价、无毒、化学稳定性好等特点在光催化领域有重要应用。然而，对可见光响应低、光生电子-空穴对易快速复合限制了其广泛应用。碳材料具有化学性质稳定、无毒无污染、对有机污染物有良好的吸附性等特点，对TiO2来说是一种很好的修饰材料。同时，掺杂可以在TiO2能级中形成杂质能级，有利于光生电子-空穴的产生，减少载流子的复合，提高二氧化钛光催化性能。本文首先分别合成了介孔TiO2和分级孔结构TiO2，并通过不同气氛热处理实现碳修饰和 Ti3+掺杂，然后对材料进行了物相、微观结构、比表面积等测试表征和光催化性能测量，研究了性能与结构之间的相关性。主要内容及结果如下：
　　采用一步法合成出介孔TiO2，空气气氛400℃热处理后得到孔径均一的锐钛矿相 TiO2。将一步法合成的介孔 TiO2在氩气气氛下400℃热处理得到碳修饰Ti3+掺杂介孔TiO2材料，空气气氛下对材料热处理不同时间来调控碳及Ti3+含量，随着空气下热处理时间的延长，TiO2晶粒不断长大，结晶度越来越好。光催化降解结晶紫结果显示，碳含量为19％且Ti3+含量为24%时，降解效果最好，120 min光照后对结晶紫的降解率为91.8%，比未修饰的介孔TiO2（34.7%）提升了2.6倍，这是由于碳和Ti3+协同作用使催化效果大大提高。
　　介孔结构的引入使TiO2催化性能提高明显，但由于介孔孔道单一、孔径较窄，催化过程中与有机物接触有限，因此以PSA微球为大孔模板，在介孔合成工艺基础上，采用一步法合成二级孔结构的分级孔 TiO2，孔道通透性会更优。将样品氩气条件400℃下进行热处理，空气气氛385℃下热处理不同时间，得到不同含量碳修饰Ti3+掺杂分级孔TiO2，随着空气下热处理时间的延长，与碳修饰Ti3+掺杂介孔TiO2结果相同，TiO2晶粒不断长大，结晶度越来越好，XPS结果分析表明，碳与TiO2之间部分以化学键C?O?Ti结合。对结晶紫进行紫外可见光下光催化降解实验，得到碳含量为18%和Ti3+含量为31%时，降解效果最好，在120 min光照射下对结晶紫的降解率为96.5%，比未修饰的分级孔TiO2（49.6%）提升近2倍。
　　由于介孔-大孔结构的共存，使得分级孔比介孔 TiO2有更大的比表面积，在催化降解结晶紫时，大孔结构给有机物扩散提供了快速通道的作用，对有机污染物有更强的吸附性，更多的结晶紫会与TiO2表面接触，从而反应活性位点增多，因此分级孔较介孔结构有更好的催化效率。且碳修饰在介孔和分级孔 TiO2表面，拓宽了TiO2的光吸收范围，增强了对可见光的利用率，产生更多光生电子-空穴对，同时，Ti3+的引入使得TiO2禁带中形成杂质能级，更加有利于光生电子跃迁到导带上，碳和 Ti3+的的协同作用使 TiO2光催化性能较纯介孔/分级孔TiO2有明显提高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 前言

1.2 TiO2纳米材料光催化原理

1.3 TiO2材料改性方法

1.4 多孔TiO2材料研究现状

1.5 本论文的研究意义及研究内容

第2章 碳修饰Ti3+掺杂多孔TiO2的制备、表征及性能测试

2.1 实验原料与设备

2.2 一步法制备介孔TiO2材料

2.3 分级孔二氧化钛的合成

2.4 材料的表征方法

2.5 光催化实验及测试方法

第3章 碳修饰Ti3+掺杂介孔TiO2的结构表征

3.1 引言

3.2 一步法合成介孔TiO2的表征

3.3 碳修饰Ti3+掺杂介孔TiO2的表征

3.4 本章小结

第4章 碳修饰Ti3+掺杂分级孔TiO2的结构表征

4.1 引言

4.2 PSA微球形貌分析

4.3 分级孔TiO2的制备与表征

4.4 碳修饰Ti3+掺杂分级孔TiO2的表征

4.5 本章小结

第5章 碳修饰Ti3+掺杂多孔TiO2光催化性能研究

5.1 引言

5.2 多孔TiO2的光催化降解性能分析

5.4 碳修饰Ti3+掺杂多孔TiO2光催化降解结晶紫机理分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间发表论文及参加项目情况