硅铝固载TiO2的氮掺杂改性及光催化性能分析

摘要

二氧化钛是一种高效的光催化剂，在降解有机污染物方面意义重大，但是TiO2是宽禁带半导体，只有能量较高的紫外线才能将其激发，而占太阳光中绝大多数的可见光则不能够被有效利用。为了更好的利用太阳光和提高TiO2的光催化性能，一方面要使其光响应波长向可见光区移动，另一方面所制备的材料要容易回收利用且不造成二次污染。掺杂和固载是提高TiO2光催化性能和循环利用性能的两个主要途径，因此固载型TiO2催化剂近几年来一直是研究重点。
　　 本课题主要是采用无定形的硅铝氧体多孔材料来固载二氧化钛，在生成二氧化钛的同时将其固载到多孔硅铝骨架当中;以钛和硅的有机醇盐为反应物，溶胶凝胶法制备了硅铝固载TiO2多孔材料(TiO2-SiAl)，测试结果显示，这种方法制备的材料是无定形的非晶材料;调整合成工艺，在溶胶凝胶过程后进行水热反应，样品的结晶性能得到明显提高，同时，合成的样品显示出较强的光催化活性;此外还以水玻璃、硫酸铝、硫酸钛等无机原料制备出硅铝钛胶，这种胶具有较强的吸潮吸湿性能，同时还具有一定光催化性能。
　　 以硅、铝和钛的无机盐为初始反应物，水热法制得了具有光催化活性的氮掺杂硅铝固载TiO2多孔材料(N/TiO2-SiAl)。通过XRD、FESEM、FTIR、UV-Vis等现代分析技术对所得样品的物相结构及形貌进行了分析表征;以甲基橙为探针在模拟太阳光下考察样品的光催化性能。结果表明:N/TiO2-SiAl为蜂窝状多孔材料，具有较大的比表面积;锐钛矿型TiO2以Si-O-Ti键的形式结合在无定形硅铝骨架当中，并且硅铝骨架的存在能够抑制锐钛矿向金红石相的转变;氮掺杂能够使TiO2的光响应范围向可见光区移动，在模拟太阳光照射下，120min后对甲基橙的降解率达到90％以上，具有较高的光催化性能，重复使用4次后降解率依然在80％以上，具有较强的光催化循环使用性能。
　　 通过水热法还制备了一系列硅铝固载TiO2分子筛，通过现代分析测试手段对其进行了分析表征，发现制备的样品具有较高的比表面积和规则的介孔结构，尺寸较小的TiO2纳米颗粒附着于孔壁表面，硅铝介孔结构包裹着纳米TiO2形成大孔骨架。随着Ti∶Si摩尔比的升高，TiO2纳米颗粒变多并且比较密集，同时介孔结构变得紊乱。样品的光催化活性主要是由材料的比表面积、吸附性能和TiO2含量所决定的，硅铝骨架较强的吸附性和TiO2的协同效应，使得样品在可见光下就可以催化降解污染物。研究还发现，随着烧结温度的增加，介孔结构变得紊乱，骨架收缩，TiO2纳米颗粒的存在能够增强介孔骨架的稳定性，使其在850℃的高温下不至于完全坍塌。另外合成过程中的pH值对样品的物相结构和催化性能有很大影响，酸性环境在促进锐钛矿相形成的同时还能够抑制杂质相的生长;随着合成过程中pH值的降低，样品的光催化活性增强;氮元素掺杂和多孔材料较强的吸附性，这是样品在模拟太阳光照射下催化活性增强的主要原因。

目录

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 TiO2结构及其对光催化性能的影响

1．2．1 TiO2的晶体结构

1．2．2 不同晶型TiO2对其光催化性能的影响

1．3 TiO2光催化机理

1．4 改善TiO2光催化活性的方法

1．4．1 离子掺杂

1．4．2 有机染料表面敏化

1．4．3 半导体复合

1．4．4 多孔材料负载TiO2

1．5 TiO2的制备方法

1．5．1 溶胶-凝胶法

1．5．2 水热法

1．6 选题依据及主要研究内容

1．6．1 选题依据

1．6．2 主要研究内容

2 实验原料、仪器设备及材料表征方法

2．1 实验原料

2．2 实验仪器和设备

2．3 材料表征方法

2．3．1 DSC-TG分析

2．3．2 X射线衍射分析

2．3．3 N2吸附脱附测试分析

2．3．4 电子显微分析

2．3．5 紫外可见光谱分析

2．3．6 X射线光电子能谱分析

2．3．7 红外光谱分析

2．3．8 光催化性能测试

3 溶胶-凝胶法／水热法制备硅铝固载TiO2多孔材料

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 溶胶-凝胶法制备TiO2-SiAl

3．2．2 溶胶-凝胶法／水热法制备TiO2-SiAl

3．2．3 溶胶凝胶法制备硅铝钛胶

3．2．4 样品的表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 溶胶-凝胶法制备TiO2-SiAl样品的相关性能分析

3．3．2 溶胶-凝胶法／水热法制备TiO2-SiAl样品的相关性能分析

3．3．3 溶胶凝胶法制备硅铝钛胶相关性能分析

3．4 小结

4 氮掺杂硅铝固载TiO2多孔材料的制备

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 N／TiO2-SiAl的制备

4．2．2 样品的表征

4．2．3 样品光催化活性评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 烧结温度对N／TiO2-SiAl结构的影响

4．3．2 烧结温度对N／TiO2-SiAl光催化性能的影响

4．3．3 氮掺杂对N／TiO2-SiAl结构的影响

4．3．4 氮掺杂对N／TiO2-SiAl光催化性能的影响

4．4 小结

5 水热法制备硅铝固载TiO2介孔分子筛

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 TiO2／MSA的制备

5．2．2 样品的表征

5．2．3 光催化降解实验

5．3 结果与讨论

5．3．1 TiO2负载量对样品结构与性能的影响

5．3．2 烧结温度对样品结构与性能的影响

5．3．3 pH值对样品结构与性能的影响

5．4 小结

6 结论

致谢

参考文献

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