等离子喷涂法制备金属离子掺杂二氧化钛纳米粉末的性能研究

摘要

本文针对纯TiO<,2>的电子和空穴容易发生复合、光催化效率较低、带隙较宽只能在紫外区显示光化学活性的缺陷,提出了采用等离子喷涂法制备金属离子掺杂TiO<,2>纳米粉末的方法,并通过TEM、XRD、FT-IR、UV-Vis和XPS等方法对制各的掺杂TiO<,2>纳米粉末进行表征,分析掺杂金属离子对TiO<,2>形貌、尺寸及物化性能的影响,通过光催化试验研究了金属离子掺杂对TiO<,2>光催化特性的影响,分析其影响机理及其反应动力学规律. 试验结果表明:等离子喷涂法制备的TiO<,2>粉末基本呈球形或近球形,粒径分布范围为10～50nm,在金属离子掺杂量较低时以锐钛矿相为主,掺杂量较高时以金红石相为主. 随着Fe<'3+>掺杂含量的增加,锐钛矿相含量呈先增大后减小的趋势,Bi<'3+>的掺杂则促进了锐钛矿相向金红石相的转变.少量的Fe<'3+>掺杂会阻碍TiO<,2>晶粒的生长,增大掺杂量则促进晶粒长大:Bi<'3+>掺杂则促进锐钛矿及金红石相的粒径增长.TiO<,2>粉末的红外吸收光谱中400～1000cm<'-1>区间的宽吸收带对应于TiO<,2>的Ti-O键伸缩振动和变角振动,随着Fe<'3+>和Bi<'3+>掺杂含量的增大,该吸收带明显窄化；随着金属离子掺杂含量的增大,TiO<,2>的光吸收带边出现了明显的红移现象,且随着掺杂含量的增加,红移量明显增强.Fe<,3+>掺杂TiO<,2>纳米粉末中,Fe元素仍为+3价,而Ti元素均为+4价.随着Fe<'3+>掺杂含量的增大,XPS高分辨谱01s区中表面羟基所占比例逐渐增大,而吸附水所占比例逐渐减小.Fe<'3+>和Bi<'3+>两种金属离子均能明显提高TiO<,2>的光催化活性,随着金属离子掺杂含量的增大,TiO<,2>的光催化活性均呈先增大后减小的趋势,Fe<'3+>最佳掺杂含量为0.5﹪,甲基橙降解率在60min司达81﹪,为纯TiO<,2>粉末情况下降解率的1.8倍；Bi<'3+>的最佳掺杂含量为0.1﹪,甲基橙降解率在60min可达92﹪,为纯TiO<,2>粉末情况下降解率的2.0倍.随着热处理温度的升高,锐钛矿相含量先增大后减小,而TiO<,2>光催化降解甲基橙速率逐渐减小.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文使用授权声明

1绪论

1.1引言

1.2半导体和纳米材料

1.3 TiO2简介

1.4纳米TiO2光催化机理

1.4.1 TiO2的能带结构

1.4.2 TiO2的光催化机理

1.4.3 TiO2光催化性能的影响因素

1.5提高TiO2光催化活性途径

1.6金属离子掺杂TiO2纳米粉末制备方法

1.7等离子喷涂简介

1.8课题主要目的及内容

1.8.1主要目的

1.8.2主要内容

1.8.3预期目标

2试验的方案设计及技术路线

2.1等离子喷涂法制备纳米TiO2的基本原理

2.2试验方案设计

2.3试验技术路线

3金属离子掺杂TiO2纳米粉末的制备及表征方法

3.1试验药品与设备

3.2试验过程

3.2.1掺杂TiO2纳米粉末的制备

3.2.2掺杂TiO2纳米粉末的表征

4金属离子掺杂TiO2纳米粉末的表征结果及分析

4.1 TEM结果与分析

4.2 XRD结果与分析

4.2.1金属离子掺杂对粉末晶型转变的影响

4.2.2金属离子掺杂对粉末粒径的影响

4.2.3金属离子掺杂对粉末比表面积的影响

4.3红外光谱结果与分析

4.4紫外-可见吸收光谱结果与分析

4.5 XPS结果与分析

4.5.1全谱

4.5.2高分辨谱

4.6热处理对掺杂纳米粉末晶体结构的影响

4.6.1热处理对粉末晶型转变的影响

4.6.2热处理对粉末粒径的影响

4.6.3热处理对粉末比表面积的影响

4.7本章小结

5金属离子掺杂TiO2纳米粉末的光催化特性

5.1试验药品及设备

5.2光催化试验

5.2.1甲基橙标准曲线的绘制

5.2.2TiO2光催化性能测试

5.3金属离子掺杂对TiO2光催化性能的影响机理

5.3.1金属离子掺杂对TiO2光催化性能的影响

5.3.2影响机理分析

5.4热处理对TiO2光催化特性的影响

5.5掺杂TiO2光催化反应动力学

5.5.1空白试验

5.5.2 TiO2光催化剂投加量的影响

5.5.3甲基橙初始浓度的影响

5.5.4外加氧化剂的影响

5.5.5 pH值的影响

5.5.6辐照光源的影响

5.5.7光催化反应动力学分析

5.6本章小结

6结论

致谢

参考文献

附录 作者在硕士论文期间撰写及发表的论文