共掺杂介孔TiO2纳米晶的软化学制备、表征及其光催化性能

论文摘要

针对传统二氧化钛光催化剂存在的太阳光利用率低、物质形态与形貌可控性不强、热稳定性差以及量子效率低等诸多瓶颈问题,本文采用超声辅助水热法成功制备了氮掺杂、硅掺杂以及钇氮共掺杂的新型介孔二氧化钛纳米晶,由此制得产物的突出特性是兼具高活性和可控性。采用XRD、TEM、XPS、TOC、TG-DSC、FTIR及N2吸附-脱附等多种现代表征手段对制得产物进行了表征。以水中难降解偶氮染料活性艳红X-3B为目标污染物,系统评价了自制光催化剂在紫外、可见光照条件下的光催化活性,并将其与制备产物物相结构、颗粒形貌、尺寸大小、表面态性质等特性进行了有效关联,筛选出了影响光催化降解活性的主要因素。内容分为以下三个部分：第一部分,以常用的钛酸四丁酯为钛源,利用Bola型非离子表面活性剂十二烷基二胺（DADD）作为结构导向剂和氮掺杂剂,通过超声辅助水热法制得了颗粒形貌与孔径大小皆可控的氮掺杂介孔二氧化钛纳米晶。因pH值的变化导致DADD两端—NH2所带电荷发生改变,控制反应体系初始pH=9的样品光催化活性最高,紫外光下30 min对浓度为50 mg/L的X-3B水溶液的降解率达到近90%。在优选水热温度为150℃条件下制得的产物不仅具有大的比表面积,而且形成形状规整、分布均匀的双孔分布结构,通过XPS分析得出,DADD的加入形成了氮元素高度分散于结晶良好的锐钛矿二氧化钛晶格中,导致其禁带宽度变窄,为制备具有可见光响应的氮掺杂二氧化钛光催化剂提供了新的思路。第二部分,针对二氧化钛材料制备过程中热稳定性差、活性不高等问题,结合本课题组前期的工作基础,采用基于水热法的制备新工艺,以正硅酸乙酯为掺杂硅源,成功制备了高结晶度的硅掺杂介孔二氧化钛,该产物不仅具有优良的织构性能,而且热稳定性和晶型稳定性俱佳。结果表明,适量硅掺杂具有抗晶型转变和抑制晶粒生长的双重功效,通过调节硅的掺杂量和煅烧温度,实现了二氧化钛从晶型粒径到表面织构等结构参数的有效控制。在本实验条件下,选取掺硅量为5%、经450℃焙烧后制得的产物光催化活性最高,经紫外光辐射1h后,对X-3B的降解率比纯二氧化钛时提高了80%,4h后矿化度达到71.9%,掺硅5%样品在800℃高温焙烧后仍能保持较高的光催化活性。这主要归因于完善的锐钛矿晶体结构、较大的比表面积和孔容以及良好的紫外吸收特性。第三部分,通过阴阳离子共掺杂对二氧化钛进行改性已经成为研究的新方向。本文在DADD辅助水热法制备氮掺杂二氧化钛的基础上,以硝酸钇为钇源,在低温短时（150℃、8 h）的软化学条件下,成功制得了钇氮共掺杂的二氧化钛纳米混晶,有效避免了高温煅烧的后处理过程。研究发现,通过钇离子掺杂量的变化可以有效调节样品粒径的大小,而且钇氮共掺杂样品的比表面积和孔容要明显优于氮掺杂以及纯二氧化钛。掺钇量为2.0%的样品性能最佳,样品的比表面积和孔容分别达到313.5 m2/g、0.34 mL/g,紫外光辐射下15 min即可降解完90%的X-3B溶液,焙烧后可见光辐射下45 min即可基本降解完。该实验结果为阴阳离子共掺杂制备新工艺的探讨以及广谱高效地利用太阳能资源提供了简便有效的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 2的结构特征及光催化原理'>1.1 TiO₂的结构特征及光催化原理
• 2晶体结构'>1.1.1 TiO₂晶体结构
• 2能带结构'>1.1.2 TiO₂能带结构
• 2光催化作用机理'>1.1.3 TiO₂光催化作用机理
• 2光催化技术研究中的的主要问题'>1.2 TiO₂光催化技术研究中的的主要问题
• 1.2.1 量子效率低且光谱响应范围窄
• 1.2.2 光催化反应动力学研究的缺陷
• 1.2.3 光催化剂的易失活难回收
• 1.2.4 降解污染物中间体的复杂性及其机理研究的局限性
• 1.2.5 高浓度废水处理的局限性
• 1.2.6 高效大型光催化反应器的设计
• 2制备技术的研究现状'>1.3 纳米TiO₂制备技术的研究现状
• 1.3.1 溶胶-凝胶法
• 1.3.2 水热法
• 1.3.3 液相沉淀法
• 1.3.4 气相法
• 1.3.5 超声法
• 2掺杂改性技术研究进展'>1.4 纳米TiO₂掺杂改性技术研究进展
• 1.4.1 贵金属沉积
• 1.4.2 离子掺杂
• 1.4.3 半导体复合
• 1.4.4 表面光敏化
• 2的应用'>1.5 纳米TiO₂的应用
• 1.5.1 废水处理
• 1.5.2 大气净化
• 1.5.3 杀菌
• 1.5.4 超亲水性及自清洁
• 1.5.5 太阳能电池
• 1.6 论文主要研究内容及创新点
• 参考文献
• 2纳米晶的超声模板法制备、表征及其光催化性能'>第二章 氮掺杂介孔TiO₂纳米晶的超声模板法制备、表征及其光催化性能
• 2研究概述'>2.1 氮掺杂TiO₂研究概述
• 2研究概述'>2.1.1 模板法制备纳米TiO₂研究概述
• 2研究的兴起'>2.1.2 氮掺杂TiO₂研究的兴起
• 2.1.3 本章的立意及创新点
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品与仪器
• 2纳米晶的制备'>2.2.2 氮掺杂介孔TiO₂纳米晶的制备
• 2纳米晶的表征'>2.2.3 氮掺杂介孔TiO₂纳米晶的表征
• 2.2.4 光催化活性评价
• 2.3 结果与讨论
• 2纳米晶晶型的影响'>2.3.1 焙烧温度对TiO₂纳米晶晶型的影响
• 2.3.2 BET比表面积及孔结构分析
• 2.3.3 XPS分析
• 2纳米晶性能的影响'>2.3.4 pH值对TiO₂纳米晶性能的影响
• 2纳米晶性能的影响'>2.3.5 水热温度对TiO₂纳米晶性能的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2纳米晶的制备、表征及其光催化性能'>第三章 热稳定性硅掺杂介孔TiO₂纳米晶的制备、表征及其光催化性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品与仪器
• 3.2.2 制备流程
• 3.2.3 表征手段
• 3.2.4 光催化活性评价
• 3.3 结果与讨论
• 2织构性能以及光催化活性的影响'>3.3.1 掺硅量对TiO₂织构性能以及光催化活性的影响
• 3.3.2 XRD分析
• 3.3.3 BET比表面积及孔结构分析
• 3.3.4 FT-IR分析
• 3.3.5 热重-示差量热（TG-DSC）分析
• 3.3.6 光催化活性分析
• 3.3.7 TOC分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2纳米晶的制备、表征及其光催化性能'>第四章 钇、氮共掺杂介孔TiO₂纳米晶的制备、表征及其光催化性能
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品与仪器
• 4.2.2 制备流程
• 4.2.3 表征手段
• 4.2.4 光催化活性评价
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 BET比表面积及孔结构分析
• 4.3.3 FT-IR分析
• 4.3.4 TEM分析
• 4.3.5 XPS分析
• 4.3.6 光催化活性评价
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文及其他科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表