TiO2光催化剂的掺杂改性及应用

论文摘要

半导体TiO2禁带宽度为3.2 eV,只能吸收紫外光才能产生活性,而紫外光仅占太阳光的5%,这样只有波长等于或小于387 nm的紫外光才能激发TiO2产生导带电子和价带空穴对而引发光催化反应。为了有效利用太阳光,对TiO2进行掺杂改性来扩展其光响应范围从而提高其在可见光区的光催化活性是目前TiO2光催化领域很重要研究课题之一。克服这一局限性,本文侧重于将TiO2进行改性,尝试不同的掺杂方式对其改性的影响,并抑制光生电子–空穴对的复合,寻求一个最佳模式来提高TiO2在可见光区的光催化效率,达到充分利用太阳光的目的。研究内容及成果如下:1、非补偿性掺杂:对于n-型共掺元素,采用溶胶–凝胶法与溶剂热法相结合的方法制备了氮、铬共掺杂纳米TiO2粉体。利用X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、和紫外–可见光光度计（UV-Vis DRS）等手段对各试样进行表征。结果表明:钛氮铬摩尔比为1:2:10%时共掺杂二氧化钛的粒径可减小至9nm,而且其特征吸收峰红移至400nm处,可见光区光吸收强度也明显增大,从而有效提高了光催化性能。由实验数据推算出二氧化钛的原始带隙减小至1.8 eV,理论模型计算的带隙减小趋势与实验相一致。2、补偿性掺杂:对于p-型共掺元素,钒氮掺杂TiO2粉末也是通过溶剂热法制备的。当氮源为尿素,钒源为五氧化二钒时制备的掺杂TiO2粉体,通过XPS表征得出氮钒原子分别以间隙、五价替换的形式掺入到晶格中。钛氮钒摩尔比为1:1:16%时共掺杂试样在紫外区和可见光区的吸收强度均大大超过空白样。该样品在紫外光下照射30min后对亚甲基蓝的降解率达到90%多。当氮源为尿素,钒源为乙酰丙酮氧钒时制备的掺杂TiO2粉体粒径能达到10nm左右。Ti,N,V摩尔比为1:2:16%时共掺试样在所有试样中的吸收效果最好,并且钒氮共掺杂二氧化钛在30min内对亚甲基蓝的降解率能达到大约90%,有效的提高了光催化效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 纳米半导体材料概述
• 1.1.1 半导体性质与缺陷
• 1.1.2 纳米半导体的光应用
• 1.2 二氧化钛概述
• 1.2.1 二氧化钛的应用及制备
• 1.2.1.1 二氧化钛的实用意义
• 1.2.1.2 二氧化钛的制备方法
• 1.2.2 二氧化钛的光电效应与降解机理
• 1.2.2.1 二氧化钛的能带结构与光电效应原理
• 1.2.2.2 二氧化钛降解亚甲基蓝机理
• 1.2.3 二氧化钛材料的改性
• 1.2.3.1 二氧化钛材料的改性方法
• 1.2.3.2 离子掺杂理论依据
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验技术
• 2.1.1 实验方案
• 2.1.2 方法与仪器
• 2.1.2.1 溶剂热法简介
• 2.1.2.2 试剂和仪器设备
• 2.2 材料的表征
• 2光催化剂的制备'>第三章 非补偿性掺杂 TiO₂光催化剂的制备
• 2 样品'>3.1 非补偿性铬氮共掺杂TiO₂样品
• 2 的制备'>3.1.1 铬氮共掺杂TiO₂的制备
• 2 粉体的结构与性能表征'>3.1.2 掺杂TiO₂粉体的结构与性能表征
• 2 粉体的XRD 表征'>3.1.2.1 掺杂TiO₂ 粉体的XRD 表征
• 2 粉体的电镜形貌'>3.1.2.2 掺杂TiO₂粉体的电镜形貌
• 2 粉体的UV-Vis 吸收光谱表征'>3.1.2.3 掺杂TiO₂ 粉体的UV-Vis 吸收光谱表征
• 3.1.3 理论模型
• 2 粉体的光降解应用'>3.2 非补偿性掺杂TiO₂粉体的光降解应用
• 2 纳米粉体'>3.3 不同元素（碳C）与铬共掺TiO₂纳米粉体
• 3.3.1 铬碳共掺试样制备
• 2 粉体的光降解'>3.3.2 碳铬共掺TiO₂粉体的光降解
• 3.4 本章小结
• 2光催化剂的制备'>第四章 补偿性掺杂 TiO₂光催化剂的制备
• 引言
• 2 样品（钒源：五氧化二钒）'>4.1 补偿性钒氮共掺杂TiO₂样品（钒源：五氧化二钒）
• 2 粉体的制备'>4.1.1 钒氮共掺杂TiO₂粉体的制备
• 2 粉体的表征'>4.1.2 钒氮共掺TiO₂粉体的表征
• 2 粉体的XRD 及XPS 表征'>4.1.2.1 掺杂TiO₂ 粉体的XRD 及XPS 表征
• 2 粉体的TEM 表征'>4.1.2.2 掺杂TiO₂ 粉体的TEM 表征
• 2 粉体的UV-Vis DRS （UV—vis diffuse reflectance spectroscopy）吸收光谱表征'>4.1.2.3 掺杂TiO₂ 粉体的UV-Vis DRS （UV—vis diffuse reflectance spectroscopy）吸收光谱表征
• 2 粉体体制备的影响因素'>4.1.3 钒氮共掺TiO₂粉体体制备的影响因素
• 4.1.3.1 氢氧化钠的影响
• 4.1.3.2 十二硫醇的影响
• 4.1.3.3 盐酸的影响
• 2O₅ 作为钒源，各掺杂试样对亚甲基蓝的降解'>4.1.4 V₂O₅作为钒源，各掺杂试样对亚甲基蓝的降解
• 2 样品（钒源：乙酰丙酮氧钒）'>4.2 补偿性钒氮共掺杂TiO₂样品（钒源：乙酰丙酮氧钒）
• 2 粉体的制备'>4.2.1 钒氮共掺TiO₂粉体的制备
• 2 粉体的表征'>4.2.2 补偿性掺杂TiO₂粉体的表征
• 2 粉体的XRD 表征'>4.2.2.1 掺杂TiO₂ 粉体的XRD 表征
• 2 粉体的TEM 表征'>4.2.2.2 掺杂TiO₂ 粉体的TEM 表征
• 2 粉体的UV-Vis 吸收光谱表征'>4.2.2.3 掺杂TiO₂ 粉体的UV-Vis 吸收光谱表征
• 2 粉体的影响因素'>4.2.3 制备掺杂TiO₂粉体的影响因素
• 4.2.3.1 煅烧温度对制备的影响
• 4.2.3.2 溶剂热时间对吸收的影响
• 4.2.3.3 酸性对制备的影响
• 4.2.4 乙酰丙酮氧钒作为钒源，各掺杂试样对亚甲基蓝的降解
• 4.3 本章小结
• 第五章 实验结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 本论文的主要创新点
• 5.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文