复合型和掺杂型二氧化钛基光催化剂的制备及性能研究

摘要

随着人类社会能源和环境问题的日益凸显，解决这些问题的任务已经十分紧迫。将可再生的太阳能直接转化为化学能一直是人们研究的热点。如果能够有效地利用太阳光中各个波段的能量，人类暂时将不会再受能源短缺的困扰，因此，寻找合适的光催化剂以实现对太阳光的有效利用，始终是科学界研究的热点。
　　 目前较为常见的光催化剂以半导体材料为主，其中二氧化钛以其优良的自身性能在该领域中备受关注。然而，Ti02由于禁带宽度较大，很难在可见光照射下被激发，必须加以改性才能利用占太阳能总能量45％的可见光。本论文以提高二氧化钛材料对可见光的响应为目的，从半导体二氧化硅复合和非金属氮元素掺杂两种改性方式出发，分别制备了钛硅分子筛ETS-4和N-Ti02两个系列的光催化剂，并对其在可见光下的光催化行为进行了深入研究。
　　 第一，采用环境友好的廉价的硅溶胶为硅源，硫酸钛为钛源，在不加入氟离子和双氧水的条件下合成钛硅分子筛ETS-4。考察了不同原料摩尔配比下，分别利用水热合成法和微波合成法制备ETS-4材料的合成条件的规律。以水热合成法制备钛硅分子筛ETS-4时，通过调变原料中NaOH和H2S04的加入量，可以精确控制合成凝胶pH值，进而研究对合成的ETS-4材料形貌的影响。微波合成法具有快速均匀加热的优点，本文通过微波法成功地合成了钛硅分子筛ETS-4，而且晶化时间大大缩短。
　　 第二，采用在水热合成法制备出的三种特殊形貌的ETS-4材料作为光催化剂，分别研究它们在可见光下光催化降解罗丹明B的探针反应中的活性。确定通过半导体材料Si02复合改性二氧化钛的方法，合成出的钛硅分子筛ETS-4材料有一定的可见光催化活性，而且ETS-4-3产品在可见光照射下光催化降解活性要比商用光催化剂P25具有明显的优势。
　　 第三，通过红外光谱、Raman光谱和DRUV-vis等分析测试手段，从多角度解释了ETS-4材料光催化反应的机理。通过高温熔解量热的方法测定了三个样品的熔解焓，再通过一系列的热力学循环计算出三个样品的生成焓。从热力学稳定性角度分析钛硅分子筛ETS-4材料在可见光下光催化降解反应的机理，探讨它自身的生成焓，与其本身材料中的末端Ti-OH数量，以及样品在光催化降解反应中的活性的联系。
　　 第四，设计了以可逆的西佛碱反应为基础的控制水解合成法，并且采用钛酸丁酯为钛源，乙二胺为氮源，通过控制水解的方法成功合成出了一系列氮掺杂二氧化钛材料。利用XRD、TEM和BET分析手段研究氮掺杂Ti02材料的结构性质，并且通过红外光谱和XPS确定氮元素在材料晶格中的存在状态。
　　 第五，采用控制水解法合成的氮掺杂二氧化钛材料作为光催化剂，研究它们在可见光下光催化降解罗丹明B的探针反应中的活性。通过XPS和DRUV-vis等分析测试手段，解释了氮掺杂二氧化钛材料具有良好可见光催化活性的原因。