氮掺杂可见光响应型纳米TiO的制备及光催化性能研究

摘要

纳米TiO<,2>作为一种宽带半导体，由于性质稳定、无毒、以及高效的光催化活性，引人瞩目。但TiO<,2>禁带宽度大(3.2eV)，只能利用太阳光中的紫外线部分(仅占太阳光能5-8％)。这使TiO<,2>作为光催化剂在实际应用中难以大规模推广。本论文分别采用“水解法”和“胶溶-水热法”制备可见光响应型纳米TiO<,2>。通过XRD、IR、UV-Vis和TG-DTA/DSC等分析测试方法，并以甲基橙降解作为纳米TiO<,2>光催化探针反应研究了纳米TiO<,2>结构、光吸收性质及其光催化活性。并在此基础上，进一步研究了三乙胺的用量和[H<'+>]对通过“胶溶-水热”胺化掺N法所制备的“含N”纳米TiO<,2>可见光响应性质和光催化效果的影响。此外，本文还对氮掺杂TiO<,2>的形成机理进行了探讨。 实验结果表明：(1)通过“胶溶-水热法”制备的纳米二氧化钛样品，270℃焙烧是制备可见光响应型纳米TiO<,2>的合适温度；(2)“水解法”制备的产品结晶度太低，光催化活性低。“胶溶-水热法”制备的TiO<,2>，经270℃焙烧后不但结晶度高，而且其可见光吸收性能(阈值为418nm)和光催化性能(光催化30min，对甲基橙的降解率为42.57％)都较好。比较发现：“胶溶-水热法”是制备可见光型纳米TiO<,2>的有效方法。(3)以Ti(SO<,4>)<,2>为钛源，三乙胺(Et<,3>N)为氮源，在有一定浓度的H<'+>存在的条件下，通过“胶溶-水热法”制备氮掺杂纳米TiO<,2>时，硝酸量为60ml(4mol/L)，三乙胺量为15ml(即0.336mol)条件下制备的样品可见光活性最高。研究发现：经过30min的光催化后，样品对甲基橙的降解率达到了79.21％；持续光照90min后，甲基橙降解率甚至达到了100％。通过TG-DTA/DSC、IR和UV-Vis光谱分析了胶溶-水热晶化过程中吸附在TiO<,2>表面的三乙氨分子或胺离子的存在形式，以及通过C-N断裂在TiO<,2>表面形成Ti-N键和新的带隙能级使催化剂的吸收带红移至可见光区(600-750nm)的可能机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1前言

1.2纳米TiO2光催化的原理

1.2.1 TiO2的能带结构

1.2.2光催化原理

1.3纳米TiO2光催化剂的应用及局限性

1.3.1纳米TiO2在污水处理中的应用

1.3.2纳米TiO2在空气净化中的应用

1.3.3纳米TiO2光催化应用的局限性

1.4提高纳米TiO2光催化性能的研究进展

1.4.1提高纳米TiO2光量子利用效率

1.4.2拓宽纳米TiO2对可见光响应范围

1.5氮掺杂纳米TiO2的制备方法

1.5.1溅射法制备掺杂TiO2

1.5.2等离子体处理法

1.5.3机械化学法

1.5.4高温加热法

1.5.5液相法

1.6本课题研究的目的及意义

参考文献

第二章纳米TiO2的表征方法

2.1实验仪器

2.2表征方法

2.2.1 X衍射晶体的分析方法和理论

2.2.2 IR

2.2.3 TG-DSC/DTA

2.2.4 UV-Vis

参考文献

第三章可见光型纳米TiO2的制备

3.1实验试剂和仪器

3.1.1试剂

3.1.2仪器

3.1钛盐的水解

3.2胶溶-水热晶化

3.2.1胶溶

3.2.2水热晶化

3.2.3胶溶-水热晶化产物的XRD与热分析

3.3热处理(焙烧)

3.4光催化活性评价

3.4.1光催化实验试剂与装置

3.4.2甲基橙标准曲线及紫外可见吸收谱

3.4.3实验方法

参考文献

第四章水解法与胶溶-水热法制备可见光响应型纳米TiO2的研究

4.1水解法制备可见光型纳米TiO2

4.1.1晶相、晶粒尺寸

4.1.2紫外可见光吸收性能

4.1.3可见光催化活性

4.2胶溶-水热法制备可见光型纳米TiO2

4.2.1晶相、晶粒尺寸

4.2.2紫外可见光吸收性能

4.2.3可见光催化活性

4.3水解法和胶溶-水热法制备TiO2的可见光性能分析

4.4[H+]对胶溶-水热法制备的纳米TiO2性能的影响

4.4.1晶相、晶粒尺寸

4.4.2紫外可见光吸收性能

4.4.3可见光催化活性

4.5本章小结

参考文献

第五章氮掺杂可见光响应型纳米TiO2的研究

5.1溶剂组成对纳米TiO2晶相、粒径及可见光响应性能的影响

5.1.1晶相、粒径

5.1.2光吸收性能

5.1.3可见光催化性能

5.2三乙胺量对纳米D-TiO2的影响

5.2.1样品的制备

5.2.2三乙胺量对D-TiO2晶相、粒径的影响

5.2.3三乙胺量对光学性能的影响

5.2.4可见光催化活性

5.3酸量对D-TiO2的影响

5.3.1样品的制备

5.3.2酸量对晶相、粒径的影响

5.3.3酸量对光学性能的影响

5.3.4可见光催化活性

5.4光催化活性分析

5.5本章小结

参考文献

第六章结论与展望

发表论文

致谢