掺杂纳米TiO2材料的制备及光催化性能研究

论文摘要

本文采用水热法制备了金属与非金属共掺杂、非金属共掺杂的纳米TiO2和金属掺杂的TiO2微球,并分别采用XRD、Uv-vis、XPS、FTIR和光催化降解甲基橙对其物相和光催化性能进行了研究。以TiCl4和FeCl3为原料、在表面活性剂Span—80存在时,180℃下水热反应48h可成功制得直径为3—10μm的金红石、锐钛矿和板钛矿混合相的微球TiO2-Fe-Span。XPS表明掺杂的铁以Fe3+形式存在;Uv-vis结果表明,微球具有较高的可见光吸收性能,且吸收带边发生明显的红移。该微球在紫外光照射3h和太阳光照射6h时对甲基橙的降解率分别达100%和91%。特别地,光催化反应后微球可采用自然沉降的方法进行分离,这一特点为TiO2光催化技术的实际应用提供了很好的基础。用TiCl4、FeCl3和硫脲为原料,制得了硫和铁共掺杂的金红石和锐钛矿混合相的纳米二氧化钛（TiO2-S-Fe）。160℃下制得的TiO2-Fe-S样品催化活性最优,紫外光照射60min和太阳光照射50min时对甲基橙的降解率分别达97%和99%。UV-vis表明该催化剂对可见光吸收增强,吸收带边明显红移。XPS表明,掺杂的硫取代TiO2中的晶格氧形成Ti-S键,使得TiO2的带隙能窄化引起对可见光的响应;同时部分掺杂的硫以S6+形式存在,从而增强了TiO2-S-Fe的表面酸强度,提高了对氧和有机物的吸附;铁掺杂降低了电子和空穴的复合几率。阴阳离子的协同作用使得TiO2-S-Fe具有很高的紫外和可见光催化活性。以Ti（SO4）4、硼酸和硫酸为原料,制得了B、S共掺杂的锐钛矿型纳米二氧化钛（TiO2-B-S）。UV-vis表明该催化剂对可见光吸收增强,吸收带边明显红移。XPS显示B、S共掺杂改性使得TiO2-B-S表面羟基氧含量提高,这对提高光活性是有益的。240℃下制得的TiO2-B-S具有较高的催化活性,紫外光照射50min后对甲基橙几乎全部降解,太阳光照射230min后的降解率达92%。硼硫共掺杂TiO2具有较高的紫外光和可见光活性的原因可能是掺杂的硼以B3+进入晶格中,导致TiO2晶格畸变、带隙变窄,S掺杂提高了TiO2的表面酸度;B、S共掺杂对提高TiO2的光催化剂活性具有协同效应。以Ti（SO4）4为钛源、硫脲为掺杂剂时,得到了N、S共掺的锐钛矿型纳米二氧化钛（TiO2-N-S）。UV-vis表明该催化剂对可见光吸收增强,吸收带边红移;EA和XPS分析表明催化剂表面的N含量高于体相的;光催化实验表明TiO2-N-S催化活性高于纯TiO2和单掺硫TiO2,在紫外光照射90min和太阳光照射120min下对甲基橙的降解率分别达88.2%、41.4%。TiO2-N-S光催化活性的提高与UV-vis光区的强吸收、吸收带边的红移、氧缺的产生以及表面酸度的提高等因素引起的协同效应有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 引言
• 2的结构与基本性质'>1.1 TiO₂的结构与基本性质
• 2光催化作用机理'>1.2 TiO₂光催化作用机理
• 2光催化技术的应用'>1.3 TiO₂光催化技术的应用
• 参考文献
• 第二章 铁掺杂二氧化钛微球的制备及光催化性能研究
• 2.1 研究概况
• 2.1.1 模板法
• 2.1.2 均一沉淀法
• 2.1.3 溶胶—凝胶法
• 2.1.4 微乳液法
• 2.1.5 水热法
• 2微球的光催化活性及掺杂改性'>2.1.6 TiO₂微球的光催化活性及掺杂改性
• 2.2 实验
• 2.2.1 主要仪器设备与原料试剂
• 2微球的制备方法'>2.2.2 TiO₂微球的制备方法
• 2.2.3 样品表征及催化性能测定
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 水热反应时间的影响
• 2.3.2 掺杂剂的影响
• 2.3.3 水热反应溶剂的影响
• 2.3.4 表面活性剂的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 金属—非金属共掺杂纳米二氧化钛及其光催化性能研究
• 3.1 研究概况
• 3.1.1 贵金属沉积
• 3.1.2 半导体复合
• 3.1.3 表面光敏化
• 3.1.4 表面超强酸化
• 3.1.5 金属离子掺杂
• 3.1.6 非金属掺杂
• 3.1.7 金属与非金属共掺杂
• 3.2 实验
• 3.2.1 主要实验仪器设备及试剂
• 3.2.2 催化剂的制备
• 3.2.3 催化剂的表征及光催化性能测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 水热反应温度的影响
• 3.3.2 水热反应时间的影响
• 3.3.3 洗涤冷却方式的影响
• 3.3.4 掺杂元素的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 非金属共掺杂纳米二氧化钛的制备及其光催化性能研究
• 4.1 研究概况
• 2'>4.1.1 B掺杂TiO₂
• 4.1.2 非金属共掺杂改性
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验仪器与试剂
• 4.2.2 催化剂的制备
• 4.2.3 催化剂的表征及光催化实验
• 2'>4.3 B、S共掺纳米TiO₂
• 4.3.1 光催化性能
• 4.3.2 催化剂的物相分析
• 4.3.3 掺杂元素形态分析
• 4.3.4 影响光催化剂性能的因素
• 2'>4.4 N、S共掺纳米TiO₂
• 4.4.1 光催化性活性
• 4.4.2 晶相结构
• 4.4.3 UV-vis漫反射结果
• 4.4.4 XPS分析
• 4.4.5 EA分析
• 4.4.6 FTIR分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 发表论文