负载、掺杂纳米氧化钛光催化剂的制备、表征及光催化性能研究

摘要

二氧化钛具有无毒、性能稳定、价格低廉、高光催化活性可分解目标物等特点，被认为是一种优良的光催化剂。但由于纳米氧化钛粉体在降解溶液中分离难、回收成本高而限制了其实际应用；氧化钛由于禁带宽度大(3.2 eV)，只受波长小于387nm紫外光激发，从而限制了对太阳能的有效利用。因此本文以膨胀石墨为载体，采用溶胶一凝胶法制备了膨胀石墨负载纳米TiO<,2>光催化剂以及非金属元素(N，S)掺杂纳米氧化钛光催化剂。 利用X射线衍射分析、扫描电镜、比表面积、紫外-可见光漫反射、透射电镜、红外光谱、光致发光谱、XPS电子能谱分析、X射线能量色散谱仪等分析技术对样品进行表征，讨论了材料制备过程中不同条件对催化剂结构与性能的影响，并以甲基橙为目标降解物，考察催化剂在不同光源下的光催化活性，结果表明： 氧化钛以纳米颗粒的形式牢固负载在膨胀石墨薄片表面，具有疏松多孔蠕虫状结构的膨胀石墨为氧化钛提供高浓度的三维降解环境。膨胀石墨负载氧化钛光催化剂对甲基橙有很强的吸附和降解性能，在纯溶胶负载样品中，负载2次，煅烧温度为500℃条件下制备的样品具有优异的活性，吸附平衡后对甲基橙溶液60min的降解率达到96.9％。溶胶中Degussa P25的加入进一步增强了催化剂的性能，当P25为5g/L，煅烧温度为500℃时，所得样品具有最高活性，吸附平衡后光照30min降解率达到92.5％。 以钛酸四丁酯为钛源，氨水为沉淀剂，采用水解-沉淀法制备出了氮掺杂纳米TiO<,2>催化剂(N/TiO<,2>)在波长低于550nm的可见光区域内都有高的吸光度，700℃煅烧制得的N掺杂氧化钛光催化剂表现出最佳的光催化活性，120min内对甲基橙溶液的降解率达到69.7％。 硫脲起到了抑制TiO<,2>晶型转变的作用，提高TiO<,2>的热稳定性；N，S掺杂TiO<,2>在UV-Vis光范围内光吸收增强，而且吸收边发生明显红移，从而提高了可见光光催化活性。XPS结果表明，N是以形成Ti-O-N键的方式存在于TiO<,2>中，N含量为2.68％。在热处理过程中S<'2->氧化为S<'6+>，其含量为1.84％，其中一部分S<'6+>进入到TiO<,2>的晶体结构中取代Ti<'4+>位置而使晶格形变，晶格常数降低，在价带上将形成一个电子占据能级，导致了TiO<,2>的价带和导带之间的带隙变窄，从而提高了TiO<,2>的可见光的光谱响应；光催化实验结果表明，在可见光激发下N，s共掺杂氧化钛光催化剂表现出良好的光催化性能，180min对甲基橙溶液的降解率达到76.7％。

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致谢

第一章绪论

1.1半导体光催化理论基础

1.1.1二氧化钛的能带结构

1.1.2二氧化钛的光催化机理

1.2 TiO2光催化剂的制备

1.2.1液相法

1.2.2气相法

1.3提高纳米TiO2光催化活性的途径

1.3.1贵金属沉积

1.3.2离子掺杂改性

1.3.3半导体复合

1.3.4染料光敏化

1.4 TiO2光催化剂负载化技术

1.4.1载体的作用与类型

1.4.2 TiO2光催化剂的负载化方法

1.5 TiO2光催化在环保中的应用

1.5.1污水处理

1.5.2空气净化

1.5.3杀菌消毒

1.5.4自清洁材料

1.6本文研究的意义、内容及思路

第二章实验方法

2.1实验原料与仪器设备

2.1.1实验原料与化学试剂

2.1.2常用实验仪器设备

2.2样品的制备

2.2.1膨胀石墨的制备

2.2.2膨胀石墨负载纳米氧化钛光催化剂的制备

2.2.3 N掺杂纳米氧化钛光催化剂的制备

2.2.4 N，S共掺杂纳米氧化钛光催化剂的制备

2.3材料的组成、结构与性能表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2扫描电子显微分析(SEM)

2.3.3紫外-可见光漫反射分析(UV-vis DRS)

2.3.4比表面积和孔径测定(BET)

2.3.5傅立叶变换红外光谱(FT-IR)

2.3.6透射电子显微分析(TEM)

2.3.7光致发光普(PL)

2.3.8 XPS光电子能谱分析(XPS)

2.3.9X射线能量色散谱仪(EDS)

2.4光催化活性测试与表征方法

2.4.1光源的选择

2.4.2甲基橙最大吸收波长的确定及其标准曲线

2.4.3光催化实验方法与步骤

第三章膨胀石墨负载纳米氧化钛光催化剂的制备、表征及光催化性能研究

3.1前言

3.2样品的制备

3.3样品的表征

3.3.1相结构分析

3.3.2微观形貌与成分分析

3.4催化剂吸附性能和光催化活性

3.4.1热处理温度对吸附性能和光催化活性的影响

3.4.2负载次数对吸附性能和光催化活性的影响

3.4.3初始溶液浓度对吸附性能和光催化活性的影响

3.4.4 P25浓度对吸附性能和光催化活性的影响

3.4.5不同样品性能比较

3.4.6催化剂PEG-5的重复使用性能评价

3.5本章结论

第四章N掺杂纳米TiO2的制备、表征及光催化性能

4.1前言

4 2实验

4.2.1氮掺杂TiO2的制备

4.2.2氮掺杂TiO2的表征及光催化性能

4.3实验结果与讨论

4.3.1 XRD分析

4 3 2 UV-Vis DRS漫反射分析

4 3 3光生载流子复合与分离的PL表征

4.3.4 FT-IR分析

4.3.5 SEM和TEM分析

4.3.6可见光催化活性评价

4.4本章结论

第五章N，S共掺杂纳米TiO2光催化剂的制备、表征及光催化性能

5.1前言

5.2实验

5.2.1 N，S共掺杂TiO2的制备

5.2.2 N，S共掺杂TiO2的表征和光催化性能

5.3实验结果

5.3.1热处理温度对N，S共掺杂纳米TiO2结构与性能的影响（S/Ti=4）

5.3.2 S掺杂量对N，S共掺杂纳米TiO2结构与性能的影响

5.3.3 N，S掺杂对纳米TiO2结构与性能的影响

5.4本章结论

第六章全文结论

参考文献

硕士期间撰写论文