水热制备掺杂型纳米TiO2的光催化活性研究

摘要

对纳米二氧化钛掺杂改性课题近几年来研究非常广泛，但对于纳米TiO2的禁带宽度宽、光响应范围窄、量子产率低、光生载流子复合率高等问题还没有得到很好的解决。本文以硫酸氧钛为原料，以CoO、Fe(NO3)3·9H2O和MnSO4·H2O作为掺杂剂，用水热法制备了三种掺杂类型的纳米TiO2，并用SEM、XRD、激光粒度分布仪、红外光谱、紫外光谱、热重分析仪、BET等分析测试手段进行了表征，对比了三种掺杂型的纳米TiO2的光催化活性，研究了不同溶液pH、不同反应时间、温度、掺杂量对水热合成掺杂型纳米TiO2和光催化活性的影响。同时，研究了溶液pH、光源、催化剂量对光催化反应的影响以及催化剂的稳定性。此外，还研究了Co掺杂纳米TiO2的光电催化活性。意在为促进纳米TiO2的光生电子-空穴分离作进一步的研究。
　　本文通过掺杂过渡金属离子来提高光生载流子的寿命。通过XPS研究分析三种掺杂元素Fe、Mn和Co在纳米TiO2的表面的存在形式，它们均以氧化物状态存在，并与TiO2之间存在着相互作用，掺杂后Ti2p的结合能朝着低能级方向移动。由红外光谱分析，水热制备的纳米TiO2表面均富含水合羟基。掺杂后的纳米TiO2的光催化活性有了明显的提高，对比三种掺杂元素的光催化活性得出钴元素掺杂的纳米TiO2具有最高光催化活性。以钴掺杂纳米TiO2为研究对象，研究了最佳水热反应条件为:温度为200℃，pH=9，反应时间为10h，掺杂量为0.5％。讨论了影响光催化反应因素灯源、溶液pH、催化剂用量和催化剂稳定性，发现溶液pH对光催化反应具有很重要的影响。最后在紫外灯箱中，通过武汉科斯特CS电化学工作站，采用压片法制备阳极，组合成以光催化剂为阳极，石墨片为阴极的光电催化罗丹明的装置，以1.5V的恒电位进行光电降解90min，研究了不同物质的量比的Co-TiO2的光电催化活性。通过光电催化反应发现，样品0.5％Co-TiO2的降解率最高，为77.25％，比相同条件下无催化剂的降解率高38.74％，比pure-TiO2的降解率高12.53％，比不外加电压样品0.5％Co-TiO2的降解率高17.06％。研究结果表明，压片法制备催化剂阳极的方法可较大提高光催化降解效率，具有很好的发展前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 二氧化钛简介

1．2．2 纳米TiO2的热力学性质

1．2．4 纳米TiO2的生物学性质

1．2．5 纳米TiO2的表面双亲性

1．3 纳米TiO2的制备方法

1．3．1 溶胶-凝胶法

1．3．2 胶束和反胶束法

1．3．3 水热法

1．3．6 电化学沉积法

1．4．1 金属离子掺杂

1．4．2 贵金属沉积

1．4．3 非金属掺杂

1．4．4 共掺杂

1．4．5 有机化合物的包覆改性

1．4．6 半导体复合

1．5 本文研究的目的、意义和研究内容

1．5．1 本文研究的目的和意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 研究的创新点

第二章 水热制备掺杂型纳米TiO2

2．1 简介

2．1．2 实验仪器

2．2 实验过程

2．2．3 光催化活性评价

2．3 结果讨论

2．3．2 不同掺杂型纳米TiO2的晶型

2．3．3 不同掺杂型纳米TiO2的粒径分布图

2．3．4 不同掺杂型纳米TiO2的XPS谱图

2．3．5 不同掺杂型纳米TiO2的红外光谱

2．3．6 不同掺杂型纳米TiO2的等温吸附曲线和孔径分布

2．3．7 不同掺杂型纳米TiO2的紫外可见光谱

2．3．8 不同掺杂型纳米TiO2的光催化活性评价

2．4 总结

第三章 钴掺杂纳米TiO2的水热制备及光催化活性研究

3．1 简介

3．2 实验部分

3．2．1 实验步骤

3．2．2 表征方法

3．3 结果讨论

3．3．1 溶液pH对钴掺杂纳米TiO2性质的影响

3．3．2 反应温度对钴掺杂纳米TiO2性质的影响

3．3．3 反应时间对钴掺杂纳米TiO2性质的影响

3．3．4 掺杂量对钴掺杂纳米TiO2性质的影响

3．4 总结

第四章 影响掺杂型纳米TiO2的光催化反应因素

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验药品和仪器

4．2．2 不同光源

4．2．3 不同溶液pH

4．2．4 不同光催化剂用量

4．2．5 光催化剂稳定性评价

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同光源的影响

4．3．2 溶液pH的影响

4．3．3 光催化剂用量的影响

4．3．4 光催化剂稳定性的影响

4．4 总结

第五章 钴掺杂纳米TiO2的光电催化活性研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．3 光电催化活性评价

5．3 结果讨论

5．3．1 空白实验对比

5．3．2 不同催化剂的光电降解实验

5．3．3 不同光源下光电降解实验

5．3．4 循环光电降解实验

5．4 总结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师介绍