Ag与Ce掺杂改性TiO2光降解催化剂的制备及光催化性能的研究

摘要

二氧化钛(TiO2)，作为一种重要的半导体材料，凭借着其特殊的结构和优良的性能引起了广大学者的研究。由于它廉价、来源广、无毒无害、生物亲和性优良以及光物理化学性能稳定等优点而被广泛应用于催化化学、生物化学和医学等领域。然而它具有较宽的带隙（锐钛矿相TiO2～3.27eV），造成了其需要较高能量光线激发以及光生电子-空穴容易快速复合等缺点，影响了对其进一步的研究。研究表明，以贵金属银纳米颗粒和稀土元素修饰二氧化钛能够促进电子-空穴的有效分离，提高复合催化剂对于光的响应和吸收，加速光催化反应速率。因此，本文的工作是通过掺杂稀土元素和银来改性TiO2，提高其光催化性能。本文的工作概括起来主要有下列几个方面:
　　(1)以钛酸丁酯为前驱体，无水乙醇为溶剂，采用溶胶-凝胶法制备了不同Ce掺杂量的纳米TiO2光催化剂xCe/TiO2(x=0.3％，0.5％，1％，2％)。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、N2吸附-脱附(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)对产物进行了表征。在紫外光照射下，以罗丹明B(Rh B)和亚甲基蓝(MB)为降解物，研究了不同Ce含量样品的光催化性能。结果表明，Ce的引入抑制了锐钛矿晶粒的生长，比表面积由掺杂前的72.3m2·g-1增大到掺杂后的120.2m2·g-1，掺杂后TiO2的光催化活性大大提高，且当Ce掺杂的摩尔分数为0.5％时，对RhB和MB的光降解催化活性最佳，经过180min紫外光光催化，RhB和MB的降解率分别达到93.7％和86.4％。
　　(2)以钛酸丁酯为钛源，采用溶胶-凝胶法制备了不同热处理温度的Ce掺杂TiO2纳米粉体。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、N2吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)等对产物进行了表征。以罗丹明B(Rh B)为降解物，在紫外光照射下研究了不同热处理温度下样品的光催化性能。研究结果表明，在一定温度下，Ce的掺杂抑制了TiO2锐钛矿向金红石相的转变，增大了比表面积和孔体积，掺杂后TiO2的光催化活性优于商业TiO2(P25)，且当Ce/TiO2最佳热处理温度为650℃时，以RhB为降解物，经过180min光催化，降解率达到95％。
　　(3)采用溶胶-凝胶法制备了Ag/TiO2光催化剂。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、N2吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)对产物进行了表征。以亚甲基蓝(MB)为降解物，考察了不同Ag含量和不同煅烧温度对样品的光催化性能影响。结果表明，掺杂Ag后，增大了样品的比表面积，800℃时，Ag的引入抑制了TiO2锐钛矿向金红石相的转变，掺杂后TiO2的光催化活性大大提高，在500℃煅烧温度下，当Ag的摩尔分数为1％时，在紫外光照射下，经过180min光催化实验，对MB的降解率达到90％。
　　(4)采用溶胶-凝胶法制备了Ce和Ag掺杂的Ce-Ag-TiO2光降解催化剂。以亚甲基蓝为光催化反应的模型污染物，探讨不同掺杂元素的含量、不同煅烧温度与其降解率的关系。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、N2吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)对产物进行了表征。结果表明，共掺杂TiO2的比表面积达到123.3m2·g-1，远远大于未掺杂和单掺杂的样品。此外，Ce和Ag的引入抑制了TiO2锐钛矿向金红石相的转变，在500℃煅烧温度下，经紫外光照射180min，共掺杂TiO2对MB的降解率达到92％，明显高于未掺杂和单一掺杂的样品，且Ce和Ag的最佳摩尔掺杂量为1.5％和0.5％。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 纳米材料的概述

1．3 TiO2的概述

1．3．1 TiO2的晶型结构

1．3．2 TiO2光催化原理

1．3．3 TiO2光催化剂的制备方法

1．3．4 提高TiO2光催化剂性能的方法

1．3．5 纳米TiO2的应用

1．4 本文研究的目的意义、内容及创新点

2 Ce掺杂TiO2光降解催化剂的制备及光催化性能

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 催化剂的制备

2．2．3 产物表征

2．2．4 催化剂性能评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 XRD和BET分析

2．3．2 样品的形貌分析

2．3．3 样品的XPS分析

2．3．4 光催化性能

2．4 本章小结

3 热处理温度对Ce掺杂TiO2光催化剂结构与性能的影响

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料与仪器

3．2．2 催化剂的制各

3．2．3 催化剂性能评价

3．3 结果与讨论

3．3．1 XRD和BET分析

3．3．2 SEM和TEM分析

3．3．3 光催化性能测试

3．4 本章小结

4 Ag／TiO2纳米催化剂的制备及性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料与仪器

4．2．2 Ag／TiO2光催化剂的制备

4．2．3 性能表征

4．2．4 催化剂性能评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 XRD分析

4．3．2 样品的形貌分析

4．3．3 BET分析

4．3．4 光催化性能

4．4 本章小结

5 Ce与Ag掺杂TiO2光催化剂的催化性能

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂

5．2．2 催化剂的制备

5．2．3 性能表征

5．2．4 催化剂性能评价

5．3 结果与讨论

5．3．1 XRD分析

5．3．2 BET分析

5．3．3 样品的形貌分析

5．3．4 光催化性能

5．4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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