可见光响应型纳米TiO2复合材料的制备及性能

摘要

TiO2光催化材料由于具有高效、廉价、对环境友好、无二次污染和可循环再生等优点受到人们的广泛重视。但TiO2是宽禁带半导体化合物，只有在紫外线照射下才能激发其催化活性，对于太阳能的利用率是低的。因此，对纳米TiO2进行改性，使其在可见光区产生光响应，具有重要的应用意义。
　　 本文选取了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，采用溶胶-凝胶技术，制备出了具有可见光响应活性的纳米TiO2复合材料。应用TEM、XRD、TG-DTA和UV-Vis等手段对两类纳米TiO2复合材料进行了表征，并对其掺杂机理、制备工艺、材料结构和性能进行了研究。
　　 在制备Fe3+掺杂纳米TiO2复合材料过程中，加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)得到的复合材料在530nm产生了宽强吸收峰，并对罗丹明B具有一定的光催化降解活性。系统研究了Fe3+掺杂及加入CTAB对复合材料结构与性能的影响。结果表明，当Fe3+和CTAB的掺杂量分别为2％和5％,Fe3+进入纳米TiO2的晶格，产生新的掺杂能级(Eg=1.37eV)，从而改变了TiO2的光谱响应范围。
　　 稀土金属离子Gd3+掺杂的纳米TiO2复合材料也同样具有较好的可见光活性。当Gd3+的掺杂量为0.5％时，在550nm附近产生宽吸收带。Gd3+能够进入到TiO2晶格中，改变TiO2的能级结构，形成了新的掺杂能级，(Eg=1.27eV)。适量Gd3+的掺杂的纳米TiO2复合材料的光催化性能优于纯TiO2粉体材料。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 纳米材料简介

1.2 纳米TiO2光催化材料

1.2.1 半导体能带理论

1.2.2 TiO2光催化剂的晶体结构

1.2.3 纳米TiO2光催化反应机理

1.3 纳米TiO2合成方法

1.3.1 物理法

1.3.2 化学法

1.4 表面活性剂在纳米粉体制备中的应用

1.4.1 表面活性剂的作用原理

1.4.2 十六烷基三甲基溴化铵在金属氧化物纳米粉体制备中的应用

1.5 纳米TiO2可见光化的方法及研究进展

1.5.1 离子掺杂

1.5.2 半导体复合

1.5.3 表面光敏化

1.6 本论文的研究意义及内容

第2章 铁掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

2.1 铁掺杂的反应机理

2.2 实验的主要试剂与设备

2.2.1 实验的主要试剂

2.2.2 实验的主要仪器设备

2.3 实验方法

2.3.1 纳米TiO2复合粉体材料的制备

2.3.2 纳米TiO2复合粉体材料结构和光学性能测定

2.3.3 纳米TiO2复合粉体材料热力学性能测定

2.3.4 纳米TiO2复合粉体材料的光催化性能检测

2.4 结果与讨论

2.4.1 Fe3+的掺杂量对纳米TiO2复合粉体材料的可见光化性能影响

2.4.2 CTAB的掺杂量对纳米TiO2复合粉体材料的可见光化性能影响

2.4.3 纳米TiO2复合粉体材料的结构分析

2.4.4 纳米TiO2复合粉体材料的光催化活性

2.5 小结

第3章 钆掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

3.1 稀土元素掺杂的反应机理

3.2 实验的主要试剂与设备

3.2.1 实验的主要试剂

3.2.1 实验的主要设备

3.3 实验方法

3.3.1 纳米TiO2复合粉体材料的制备

3.3.2 纳米TiO2复合粉体材料结构和光学性能测定

3.3.3 纳米TiO2复合粉体材料热力学性能测定

3.3.4 纳米TiO2复合粉体材料的光催化性能检测

3.4 结果与讨论

3.4.1 Gd3+的掺杂量对纳米TiO2复合粉体材料的可见光化性能影响

3.4.2 纳米TiO2复合粉体材料的结构

3.4.3 纳米TiO2复合粉体材料的光催化活性

3.5 小结

第4章 结论

4.1 铁料掺杂纳米TiO2复合材的结构与性能

4.2 钆掺杂纳米TiO2复合材料的结构与性能

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与发表的主要论文