微波辐射合成Fe3+(Gd3+)掺杂纳米TiO2复合材料的结构及可见光催化性能

摘要

TiO2纳米晶因具有廉价易得、对环境友好、化学稳定性高等优点而备受关注。但TiO2是宽禁带半导体化合物，只能被波长小于387.5 nm的紫外光激发才能表现出高的催化活性，对太阳光的利用率低。因此，对纳米TiO2进行改性，使其在可见光区产生响应，充分利用太阳光能，具有重要的应用意义。
　　本论文采用微波辐射技术和均匀沉淀法，选取过渡金属离子中具有代表性的Fe3+和稀土金属离子中无毒的Gd3+作为掺杂剂，分别合成了Fe3+掺杂和Gd3+掺杂的纳米TiO2复合材料。应用TEM、XRD、TG-DTA和UV-Vis等手段对复合材料的结构，光催化性能进行了表征。
　　采用微波水热和微波浸渍方法合成了不同量Fe3+掺杂的纳米TiO2复合材料。UV-Vis漫反射光谱均表明，适量Fe3+的掺杂，在不减弱其紫外区吸收强度的同时能够能使其在可见光区400～600 nm产生吸收，同时颗粒粒径减小，分散性提高。XRD结果表明，掺Fe3+量达到10％时，出现Fe2O3的特征衍射峰。不同方法制备的Fe3+/TiO2复合材料光催化活性不同，以锐钛矿纳米TiO2为前驱体微波浸渍合成的Fe3+/TiO2显示较高的可见光催化活性，100 min内对甲基橙的降解率达到100％。
　　采用微波作为热源，分别采用三种方法合成了Gd3+掺杂的纳米TiO2复合粉体。微波水热一步合成;样品无需后序热处理，直接得到了锐钛矿型的纳米TiO2复合粉体，并且在模拟太阳光照射下2h降解甲基橙的效率高达70％，以无定形态纳米TiO2为前驱体微波浸渍合成和以锐钛矿型纳米TiO2为前驱体微波浸渍合成的纳米TiO2复合粉体光催化降解甲基橙的效率相差很大。采用微波加热，有助于提高粒子的分散度，减小粒子的粒径，提高了量子转换效率。采用均匀沉淀法合成了Gd3+掺杂的纳米TiO2复合材料，结果表明当掺Gd3+量为1％时，晶化程度高，比相同条件下纯TiO2的光催化活性高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 纳米材料简介

1．1．1 纳米材料与纳米技术

1．1．2 纳米材料的特性

1．2 纳米TiO2的结构特征、光催化机理及应用

1．2．1 纳米TiO2的结构特征

1．2．2 纳米TiO2的光催化机理

1．2．3 纳米TiO2光催化剂的应用

1．3 纳米TiO2的制备方法

1．3．1 物理方法

1．3．2 化学方法

1．4 纳米TiO2可见光化研究进展

1．4．1 离子掺杂

1．4．2 非金属元素掺杂

1．4．3 贵金属离子沉积

1．4．4 半导体复合

1．4．5 表面光敏化

1．5 微波辐射在纳米粉体制备中的应用

1．5．1 微波辐射对化学反应的影响

1．5．2 微波加热原理

1．5．3 微波合成纳米TiO2粉研究进展

1．6 本论文研究的意义和内容

第2章 Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的合成及光催化性能

2．1 Fe3+掺杂机理

2．2 实验试剂与仪器

2．3 实验方法

2．3．1 微波水热合成Fe3+掺杂的纳米TiO2复合材料

2．3．2 微波浸渍合成Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料

2．3．3 Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的热力学性能测定

2．3．4 Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构和光学性能测定

2．3．5 Fe3+掺杂纳米TiO2复合粉体材料的可见光催化反应

2．4 结果与讨论

2．4．1 微波水热合成Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

2．4．2 微波浸渍合成Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

2．5 小结

第3章 Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料的合成及光催化性能

3．1 稀土掺杂反应机理

3．2 实验试剂与仪器

3．3 实验方法

3．3．1 微波水热合成Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料

3．3．2 微波浸渍合成Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料

3．3．3 均匀沉淀法合成Gd3+掺杂的纳米TiO2复合材料

3．3．4 Gd3+掺杂纳米TiO2复合粉体材料的热力学性能

3．3．5 Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构和光学性能测定

3．3．6 Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料可见光催化反应

3．4 结果与讨论

3．4．1 微波水热合成Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

3．4．2 微波浸渍法合成Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

3．4．3 均匀沉淀法合成Gd3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

3．5 小结

第4章 结论

4．1 Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

4．2 Gd3+掺杂纳米TiO2复合粉体的结构与性能

参考文献

致谢