掺杂改性纳米TiO光催化剂的制备、表征及光催化活性的研究

摘要

纳米二氧化钛是一种重要的绿色环保材料，因具有带隙能适中，对污染物吸附能力强、光催化效率性高，可催化多种污染物，无毒、反应条件温和、操作简便、可减少二次污染等特点而日益受到人们的关注，在废水处理、空气净化、抗菌杀菌、防晒护肤、功能陶瓷等诸多领域有着诱人的应用前景。 本研究以钛酸四丁酯为钛源、无水乙醇为溶剂、浓硝酸为抑制剂，采用溶胶凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。考察了原料配比、pH值、自然陈化时间、干燥方式、煅烧温度以及煅烧时间对纳米TiO<,2>晶型组成、形貌、粒径大小以及催化活性的影响。 研究了TiO<,2>纳米颗粒硬团聚现象形成的机理，利用非均相共沸蒸馏工艺对溶胶凝胶法形成的胶体进行脱水处理，防止干燥和煅烧过程中硬团聚体的形成。通过X射线衍射、场扫描电子显微镜、差热分析等表征制得纳米粉体，结果证明：非均相共沸蒸馏工艺能够有效地脱除二氧化钛制备工艺中的水份，制得了颗粒分散性较好、疏松的TiO<,2>纳米粉体。 通过实验确定了TiO<,2>纳米粉体的实验室制备工艺流程及工艺条件。同时，利用X射线衍射、场扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、差热分析、紫外可见吸收光谱等对所制得的二氧化钛粉体进行了表征，研究了TiO<,2>粉体在煅烧过程中的粒径、晶相变化以及其光催化活性。 为进一步提高纳米二氧化钛光催化剂的活性，在深入分析二氧化钛光催化机理的基础上，采用金属离子掺杂的方法对二氧化钛光催化剂进行改性研究。选取了金属离子Fe<'3+>、pb<'2+>、Ni<'2+>、zn<'2+>、Sr<'2+>作为掺杂元素，采用溶胶一凝胶法制备了掺杂改性的纳米二氧化钛光催化剂。通过X射线衍射及场扫描电子显微镜分析，考察了各金属离子掺杂对二氧化钛粉体的晶型结构、晶粒尺寸的影响。通过降解模拟氧化乐果废水，研究了各离子掺杂对二氧化钛光催化活性的影响，确定了最佳掺杂煅烧温度以及最佳掺杂比例，初步探讨了金属离子掺杂对二氧化钛粉体光催化活性影响的机理。 在单一金属离子掺杂改性的基础上，本论文首次采用Pb-N、Ni-N、Fe-N等三种体系对二氧化钛进行共掺杂改性。通过紫外可见吸收光谱，考察了共掺杂二氧化钛纳米晶对可见光的吸收能力。在可见光(350<λL<450 nm)范围内，对甲基橙溶液进行光催化降解，考察了共掺杂体系的光催化活性，确定了最佳的共掺杂比例，并初步探讨了共掺杂提高二氧化钛粉体光催化活性的机理。研究表明，三种体系共掺杂改性TiO<,2>纳米晶的吸收边均较单一掺杂纳米晶发生了不同程度的红移，对可见光的吸收有了明显提高；对于可见光下甲基橙的光催化降解，共掺杂纳米晶的催化活性均高于单一掺杂的TiO<,2>纳米粉体，共掺杂元素间起到了良好的协同作用，促进了光催化活性的提高。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和关于论文使用授权的说明

第一章文献综述

1.1 TiO2光催化作用的基本原理

1.2 TiO2光催化剂掺杂改性作用机理

1.2.1成为电子和空穴的浅势捕获阱

1.2.2降低TiO2的带隙

1.2.3形成掺杂能级

1.2.4共掺杂离子间形成协同作用

1.2.5增加氧空位和缺陷

1.2.6抑制TiO2晶型转变、增大其表面积

1.3光催化剂掺杂改性的途径

1.3.1贵金属沉积

1.3.2离子的掺杂

1.3.3复合半导体

1.4掺杂改性的TiO2光催化剂的制备方法

1.4.1溶胶凝胶法

1.4.2水热法

1.4.3离子注入法

1.4.4沉淀法

1.4.5微乳液法

1.5光催化反应的影响因素

1.6常用的性能表征手段

1.7目前存在的问题

1.8本课题研究的目的和意义

第二章TiO2光催化剂的制备、影响因素及团聚问题

2.1引言

2.2实验试剂、仪器及装置

2.2.1试剂

2.2.2仪器

2.2.3实验装置

2.3溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备TiO2光催化剂的反应机理和制备工艺

2.3.1反应机理

2.3.2 工艺流程

2.4 TiO2光催化剂制备过程的影响因素

2.4.1溶胶基准溶液配备及比例组成

2.4.2水的用量及制备方式对胶凝时间的影响

2.4.3无水乙醇用量与胶凝时间的关系

2.4.4浓HNO3用量及pH值对胶凝时间的影响

2.4.5金属离子水溶液对凝胶时间的影响

2.4.6煅烧温度对TiO2催化活性的影响

2.5共沸蒸馏克服TiO2团聚的研究

2.5.1 Sol-Gel法制备纳米颗粒聚集的一般原理

2.5.2共沸蒸馏克服TiO2团聚基本机理

2.5.3共沸蒸馏克服团聚的实验研究

2.6小结

第三章金属离子掺杂改性TiO2降解氧乐果的研究

3.1实验仪器与药品

3.2实验装置和流程

3.3氧化乐果模拟废水

3.4试样分析

3.4.1钼锑抗分光光度法分析方法

3.4.2标准曲线测定方法

3.4.3磷酸盐含量的计算

3.4.4有机磷农药光降解率的计算

3.5结果与讨论

3.5.1金属离子掺杂TiO2纳米晶样品的表征

3.5.2掺杂浓度对催化剂活性的影响

3.5.3煅烧温度对催化剂活性的影响

3.5.4金属离子掺杂TiO2催化活性比较

3.5.5各离子掺杂TiO2的最佳催化活性比较

3.6小结

第四章共掺杂TiO2纳米晶的制备表征及光催化性能的研究

4.1 Pb-N共掺杂TiO2纳米晶的制备表征及光催化性能的研究

4.1.1引言

4.1.2实验部分

4.1.3结果与讨论

4.1.4小结

4.2 Ni-N共掺杂纳米TiO2的制备、表征及光催化性能的研究

4.2.1实验部分

4.2.2结果与讨论

4.2.3小结

4.3 Fe-N共掺杂TiO2纳米晶的制备表征及光催化性能的研究

4.3.1实验部分

4.3.2结果与讨论

4.3.4小结

4.4共掺杂体系的对比分析

第五章结 论

5.1结论

5.2下一步工作建议

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文