Fe3+掺杂二氧化钛薄膜的自组装制备及其光催化性能研究

摘要

纳米TiO2问世于80年代后期，它独特的光学性能及电性能使其在催化领域及光电电池方面显示出巨大的潜力，尤其在废水处理、杀菌、环保等方面有着广阔的应用前景。然而，作为光催化材料二氧化钛的主要缺陷是对太阳能利用率低，光催化性能受到限制。为了提高TiO2的光催化活性及有效利用太阳能，人们尝试用多种方法对其进行改性处理，以提高太阳光光催化效率。
　　 本文以石英玻璃片为基底，以自组装单层为模板，采用四氯化钛为钛源，并以硝酸铁[Fe(NO3)3·9H2O]为掺杂剂于低温液相反应体系中成功制备出二维大尺寸铁掺杂二氧化钛纳米薄膜。研究了紫外光和可见光下Fe3+/TiO2纳米薄膜在液相反应体系对甲基橙溶液(MO)的光催化降解过程，以及紫外光照射下在气相反应体系中对苯的光催化降解反应，探讨了Fe3+掺杂对TiO2的光催化活性的影响。论文的主要研究进展如下：
　　 1)以石英玻璃片为基底(100*20*3mm)，以-SH为外侧功能团的SAMs为模板，并以Fe(NO3)3·9H2O作为掺杂剂，采用自组装技术成功制备出致密的二维大尺寸Fe3+/TiO2薄膜，其晶相主要为纳米晶金红石相。改变反应条件，TiO2薄膜中金红石型和锐钛矿型晶相比例会发生改变。
　　 2)研究了Fe3+不同掺杂量的TiO2薄膜光催化降解甲基橙的实验，结果表明，在紫外光和可见光照射下，Fe3+含量为0.5mmol/L的Fe3+/TiO2薄膜效果最好，紫外线照射4h和可见光照射6h后，甲基橙的降解率分别达到98.62％和87.21％，较之TiO2薄膜分别提高了63％和31％。
　　 3)对比晶相比例不同的Fe3+/TiO2薄膜光催化降解甲基橙的结果。锐钛矿相比例较少的样品和锐钛矿相比例增加的样品在可见光下对甲基橙的降解率分别达到87.21％和90.24％。
　　 4)为确定光催化降解效果，将光催化反应后甲基橙残液进行处理，FTIR分析表明残液中几乎所有甲基橙分子中的偶氮键都已断裂，大部分甲基橙分子中的苯环已被打开。
　　 5)分别以TiO2薄膜和掺铁量为0.5mmol/L的Fe3+/TiO2薄膜为催化剂降解气相体系苯。苯在光催化剂作用下降解为CO2。实验结果显示，以Fe3+/TiO2薄膜为催化剂，反应80min后，CO2的增量为229.368，较之TiO2薄膜提高了34％；苯的相对浓度为0.6749，较之TiO2薄膜降低了8.4％。表明Fe3+掺杂明显提高了TiO2对气相体系中苯的光催化效率。
　　 6)对光催化降解甲基橙和苯的过程进行动力学研究，分析结果表明，光催化降解过程符合一级反应动力学模型。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米TiO2的研究概况

1.2.1 TiO2半导体的电子结构

1.2.2 TiO2纳米粒子的性质

1.2.3 纳米TiO2的应用

1.2.4 TiO2光催化作用

1.3 纳米TiO2薄膜的研究现状

1.3.1 光催化剂的负载化

1.3.2 纳米TiO2薄膜的制备

1.3.3 纳米TiO2薄膜的分析和表征

1.4 纳米TiO2的改性技术

1.4.1 Fe3+离子掺杂

1.4.2 Fe3+掺杂机理

1.5 自组装方法简介

1.6 本课题的研究目的、意义和研究内容

1.6.1 课题研究的目的和意义

1.6.2 本课题的研究内容

第2章 Fe3+掺杂TiO2光催化剂薄膜的制备及表征

2.1 试剂

2.2 光催化剂制备所用设备与方法

2.2.1 实验所使用设备

2.2.2 光催化剂制备方法

2.3 分析仪器与表征方法

2.3.1 Fe3+/TiO2薄膜光催化剂样品的电镜表征

2.3.2 Fe3+/TiO2薄膜光催化剂XRD分析

2.3.3 Fe3+/TiO2薄膜光催化剂红外光谱分析

2.3.4 Fe3+/TiO2薄膜光催化剂拉曼光谱分析

2.3.5 Fe3+/TiO2薄膜光催化剂紫外-可见吸收光谱分析

2.3.6 不同条件制备的Fe3+/TiO2薄膜光催化剂拉曼光谱分析

2.3.7 不同条件制备的Fe2+/TiO2薄膜光催化剂荧光发射光谱分析

2.4 结果讨论

2.5 本章小结

第3章 液相体系Fe3+/TiO2薄膜光催化降解甲基橙实验研究

3.1 仪器与试剂

3.1.1 主要仪器

3.1.2 主要试剂

3.2 实验方法

3.3 实验结果分析

3.3.1 甲基橙溶液标准曲线的绘制

3.3.2 Fe3+掺杂量对纳米TiO2光催化活性的影响

3.3.3 光照时间对催化剂降解甲基橙效率的影响

3.3.4 甲基橙起始浓度对光催化效果的影响

3.3.5 热处理对样品光催化活性的影响

3.3.6 不同制备条件的光催化剂对甲基橙光催化效果的比较

3.3.7 光催化降解甲基橙残液的红外光谱分析

3.4 结果讨论

3.5 本章小结

第4章 气相体系Fe3+掺杂TiO2光催化降解苯实验研究

4.1 实验仪器与试剂

4.2 实验和检测方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 苯的相对浓度与反应时间的关系

4.3.2 CO2的增加量与反应时间的关系

4.4 本章小结

第5章 Fe3+/TiO2薄膜光催化活性及机理探讨

5.1 晶型的影响

5.2 晶粒大小的影响

5.3 Fe3+掺杂对TiO2谱学性质的影响

5.4 光催化反应动力学

第6章 结论

6.1 结论

6.2 存在问题与展望

致谢

参考文献

论文发表情况