论文题目: 纳米TiO2的掺杂改性及光催化性能的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 周武艺
导师: 唐绍裘
关键词: 纳米,掺杂,非金属元素,协同作用,稀土元素,亚甲基蓝
文献来源: 湖南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 纳米TiO2具有优异的光催化活性,它能将环境中存在的微量有机物降解为无污染的无机物,还能杀死细菌病毒,因此具有广泛的应用前景。但是,纳米TiO2光催化剂须依赖于紫外光,对太阳光的利用率低,因而限制了它的应用。为了提高纳米TiO2在可见光区的光催化活性,充分利用太阳光,必须对其进行改性。本论文主要研究几种非金属元素及稀土元素掺杂改性纳米TiO2,通过控制纳米TiO2的粒径和相变过程,改变TiO2的晶体结构,降低光生电子和空穴的复合率,从而提高纳米TiO2在可见光区的光催化活性。用羟丙基纤维素为表面活性剂采用酸催化溶胶-凝胶法制备了纳米TiO2光催化剂粉体。通过对实验条件的研究确定原料的配比为钛酸丁酯:无水乙醇:水:盐酸=1:27:2.8:0.24时有利于获得较好的纳米TiO2颗粒。羟丙基纤维素作为表面活性剂具有较强的空间位阻作用,阻碍溶胶粒子的相互碰撞形成大的团聚体,而且在热处理过程中能有效地抑制TiO2纳米颗粒进一步团聚长大。将纳米TiO2粉末分别在空气和氮气中进行热处理后发现,在氮气中进行热处理的纳米TiO2由锐钛矿相向金红石相转变温度在400℃,低于在空气中热处理的相变温度（大于550℃）。X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）及固体紫外漫反射光谱（DRS）等分析发现在氮气中经400℃热处理后的纳米TiO2由于部分N原子进入表面TiO2的晶格中取代部分的O原子形成了TiO2-xNx,产生了氧缺陷,而这些缺陷易成为光活性中心,导致吸收光子的数量增多,带隙变窄,从而使吸收光波长向可见光区方向移动。因此,在氮气中较低温热处理的纳米TiO2显示出较高的可见光光催化活性。纳米TiO2在空气和氮气中热处理过程的晶粒长大激活能分别为:15.99 kJ·mol-1和8.84 kJ·mol-1,在氮气中晶粒的增长过程为扩散控制过程。以硫脲为掺杂剂制备了均分散的硫掺杂纳米TiO2光催化剂,探讨了硫掺杂对纳米TiO2的晶相结构、原子价态及催化剂表面状态的影响,并对其掺杂机理进行了研究。结果认为在高温热处理过程中,由于微量的硫以S4+进入TiO2的晶格中取代了部分Ti4+而导致局部变形,导致TiO2的价带和导带之间的带隙变窄,从而提高了TiO2的可见光的光谱响应。光催化降解实验研究表明,当硫脲与钛酸丁酯摩尔比为3.5时,经500℃热处理2 h后的TiO2光催化活性最强。晶相结构分析发现硫离子掺杂有效地抑制了纳米TiO2晶粒长大,使晶粒细化,并抑制锐钛矿相向金红石相转变,使其转变温度提高到高于650℃。碳黑改性纳米TiO2光催化剂的研究结果表明,纳米碳黑改性使TiO2由锐钛
论文目录:
摘要
Abstract
插图索引
附表索引
第1章 绪论
1.1 半导体光催化剂
1.2 半导体TiO_2 光催化剂的结构特征
1.3 半导体TiO_2 光催化降解机理
1.4 影响TiO_2 光催化性能的因素
1.5 提高TiO_2 光催化活性的方法研究进展
1.6 掺杂纳米TiO_2 的光催化机理
1.7 掺杂纳米TiO_2 光催化剂的制备技术进展
1.8 TiO_2 光催化剂的应用进展
1.9 研究内容、目的和意义
第2章 酸催化溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2 光催化剂及光催化性能的研究
2.1 前言
2.2 实验
2.2.1 化学试剂和原料
2.2.2 纳米TiO_2 光催化剂的制备工艺
2.2.3 光催化剂的表征
2.2.4 光催化活性的评价
2.3 结果与讨论
2.3.1 溶胶-凝胶过程机理
2.3.2 溶胶-凝胶过程的影响因素
2.3.3 热处理气氛对纳米TiO_2 相变及形貌的影响
2.3.4 TiO_2 干凝胶的热稳定性及其表面结构
2.3.5 不同气氛下热处理对TiO_2 的光谱吸收的影响
2.3.6 热处理及气氛对纳米TiO_2 光催化活性的影响
2.4 理论分析
2.5 小结
第3章 硫掺杂纳米TiO_2 的制备、表征及光催化机理研究
3.1 前言
3.2 实验
3.2.1 掺杂硫元素纳米TiO_2 光催化剂粉末的制备
3.2.2 光催化剂的表征
3.2.3 光催化活性评价
3.3 结果与讨论
3.3.1 硫掺杂纳米TiO_2 催化剂的光催化活性分析
3.3.2 硫掺杂TiO_2 干凝胶的热稳定性研究
3.3.3 硫掺杂纳米TiO_2 干凝胶的表面结构分析
3.3.4 硫掺杂对纳米TiO_2 的形貌及晶相的影响
3.3.5 硫掺杂对纳米TiO_2 光学性能的影响
3.3.6 硫在TiO_2 颗粒中的化学状态
3.3.7 热处理对硫掺杂纳米TiO_2 光催化剂的拉曼位移的影响
3.3.8 硫掺杂纳米TiO_2 理论分析
3.4 小结
第4章 碳黑改性纳米TiO_2 及光催化活性机理研究
4.1 前言
4.2 实验
4.2.1 碳黑改性纳米TiO_2 的制备
4.2.2 样品的表征
4.2.3 光催化活性的评价
4.3 结果与讨论
4.3.1 碳黑的加入量对光催化剂活性的影响
4.3.2 热处理温度对TiO_2 的光催化活性的影响
4.3.3 碳黑改性纳米TiO_2 的热稳定性研究
4.3.4 热处理温度对碳黑改性TiO_2 光催化剂的表面结构分析
4.3.5 碳黑改性TiO_2 催化剂的晶相结构分析
4.3.6 碳黑改性TiO_2 催化剂的表面形貌分析
4.3.7 碳黑改性TiO_2 催化剂的紫外-可见光漫反射(DRS)分析
4.3.8 碳黑改性纳米TiO_2 光催化机理
4.4 小结
第5章 活性炭负载纳米TiO_2 光催化剂的制备及光催化性能的研究
5.1 前言
5.2 活性炭的选择
5.2.1 活性炭的物理化学性质
5.2.2 活性炭作为吸附剂的特点
5.3 实验
5.3.1 活性炭负载纳米TiO_2 光催化剂的制备
5.3.2 光催化剂粉末的表征
5.3.3 光催化剂活性评价
5.4 结果与讨论
5.4.1 活性炭负载TiO_2 晶相结构分析
5.4.2 活性炭负载纳米TiO_2 的表面形貌分析
5.4.3 活性炭负载TiO_2 催化剂的表面结构分析
5.4.4 氮气中热处理对活性炭负载TiO_2 光催化活性的影响
5.4.5 空气中热处理对活性炭负载TiO_2 光催化活性的影响
5.4.6 TiO_2-活性炭协同作用机制
5.5 小结
第6章 不同稀土元素掺杂的纳米TiO_2光催化剂及其光催化活性的研究
6.1 前言
6.2 掺杂稀土元素的选择
6.3 实验过程
6.3.1 掺杂稀土光催化剂的制备
6.3.2 稀土掺杂TiO_2 光催化剂的表征
6.3.3 光催化活性测试
6.4 光催化剂实验结果
6.4.1 复合光催化剂的含量对降解率的影响
6.4.2 复合光催化剂的浓度对降解效率的影响
6.5 稀土掺杂纳米TiO_2 光催化剂的表征
6.5.1 稀土掺杂光催化剂的晶相分析
6.5.2 稀土掺杂光催化剂的形貌
6.5.3 稀土掺杂光催化剂的荧光光谱分析
6.6 不同稀土掺杂纳米TiO_2 复合光催化剂选择性降解有机物的理论分析
6.7 本章小结
结论
参考文献
致谢
附录A(攻读博士学位期间发表的学术论文目录)
附录B(攻读博士学位期间参与研究的课题)
发布时间: 2006-05-10
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- [1].二氧化钛及其复合薄膜光催化降解性能研究[D]. 侯亚奇.清华大学2004