液相法制备N-TiO2及其光学性能研究

论文摘要

自从1972年,Fujishima利用TiO2电极光解水以来,TiO2因具有众多的优点在环境污染的治理方面有着广阔的应用前景。但是由于其禁带较宽,只能被紫外光激发,同时光生电子空穴复合的几率大,严重地阻碍了其应用和发展。1986年,Sato发现N掺杂后的Ti02具有可见光活性,但一直未得到人们的重视。直到2001年Asahi报道了TiO2掺N后,不仅没降低紫外光活性,而且还增强了可见光活性,从此开启了利用N掺杂来提高Ti02可见光活性的新篇章。本论文研究内容如下：在第二章中利用低温水热法合成了钛酸钠纳米管（Na2Ti204（OH）2nanotubes）前驱体,然后以氯化铵（NH4Cl）为氮源进行离子交换,在空气气氛下不同温度煅烧来制备N掺杂TiO2基纳米结构材料。样品的晶体结构和形貌分别用X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）进行表征,结果表明离子交换后空气气氛下100和200℃煅烧的样品,晶体结构与前驱体相比并没有发生改变,仍为正交晶系。TEM结果显示依然为纳米管状,形貌也没发生改变。紫外-可见漫反射谱图显示N掺杂后产物的吸收边发生红移,禁带宽度减小；当煅烧温度增加到300和400℃时,晶体结构逐渐向锐钛矿相转变,同时纳米管断裂,对可见光的吸收强度逐渐增大,禁带宽度进一步减小；当煅烧温度增加到500和600℃时,锐钛矿相的结晶性增加,管状结构基本消失,变为较短的纳米棒或纳米颗粒,对可见光的吸收强度减小,禁带宽度不再减小。结合X射线光电子能谱（XPS）,XRD,红外光谱FT-IR,及热重分析等手段分析了表面元素的结合态、产物的晶型转化、热分解条件与光学性能的关系,探讨了层状钛酸盐的分解条件和N掺杂作用机理。在第三章中利用在反应过程中加入氮源来制备铵盐纳米管前驱体即在低温水热时加入5ml的浓氨水来合成前驱体材料,然后分别在氨气、氮气、空气气氛下和氨水扩散条件下不同温度（200℃、300℃、400℃、500℃）煅烧制得不同的氮掺杂样品。利用XRD分析了其品相,发现其一直保持正交晶系结构,TEM分析表明,即使在500℃煅烧仍以管状结构存在。UV-VIS DRS表明不同的气氛煅烧均有可见光的吸收,但在不同气氛中的可见光的吸收程度却不相同。PL表明用320nm的激发波长激发时均在380nm附近出现发光峰,这个发光峰来源于本征发射。第四章和第三章制备方法相同,只是在水热合成后用100ml、0.1M的盐酸与沉淀物进行离子交换,然后再用三次水反复冲洗至pH值为7。XRD分析表明,在300℃以下煅烧,在氨气、氮气、空气气氛下和氨水扩散条件下煅烧的样品均为正交晶系结构；当在400℃煅烧时氨气、氮气、空气条件下均为Ti02（B）相为主纳米管,锐钛矿为辅的混合相,但是在氨水扩散条件下仅为Ti02（B）相和锐钛矿相的混合相,并且锐钛矿相结晶性增强；当在500℃煅烧时氨气、氮气、空气气氛下和氨水扩散条件下煅烧的样品均为锐钛矿相和Ti02（B）相的混合相,这就导致了四种条件下样品随温度变化紫外-可见光区吸收性能的差异。进一步通过XPS表征结果显示在氨气条件下煅烧的样品氮含量稍微偏高一点,并且导致了氮的取代掺杂,即形成了N—Ti—O键,而其他条件下煅烧的样品均以间隙形式掺杂到晶格中,即形成了Ti—O—N键。总之,通过本章我们实现了对氮掺杂氧化钛纳米材料的结晶性、晶体结构、表面氮的存在形式和氮含量的调节,并探讨了层状钛酸盐的分解条件和N掺杂作用机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 2的基本性质'>1.1 TiO₂的基本性质
• 1.2 纳米二氧化钛的优点及其应用领域
• 1.2.1 纳米二氧化钛的优点
• 1.2.2 纳米二氧化钛的应用
• 1.3 拓宽纳米二氧化钛对可见光响应范围
• 1.3.1 贵金属沉积
• 1.3.2 过渡金属掺杂
• 1.3.3 半导体复合
• 1.3.4 表面光敏化
• 1.3.5 表面螯合及衍生作用
• 1.3.6 非金属离子掺杂
• 1.4 N掺杂的机理
• 1.5 N掺杂氧化钛领域目前存在的问题
• 1.6 本论文的选题依据和研究意义
• 1.6.1 纳米管钛酸钠的结构
• 1.6.2 选题依据和研究意义
• 1.7 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 液相法制备氮掺杂氧化钛基纳米结构材料及其光学性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 前驱体钛酸钠纳米管的制备
• 2.2.2 以氯化铵为氮源制备氮掺杂二氧化钛基纳米结构材料
• 2.2.3 原材料及表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 样品的XRD表征
• 2.3.2 样品的TEM表征
• 2.3.3 样品的XPS表征
• 2.3.4 样品的IR表征
• 2.3.5 样品的热分析
• 2.3.6 样品的UV-VIS DRS表征
• 2.3.7 样品的PL表征
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 不同气氛下煅烧对钛酸盐纳米管结构和光学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品和仪器
• 3.2.2 前驱体的制备
• 3.2.3 不同气氛下氮掺杂的钛酸氨的制备
• 3.2.4 样品的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纳米管的形貌表征
• 3.3.2 纳米管的XRD表征
• 3.3.3 样品的IR表征
• 3.3.4 样品的UV-VIS DRS表征
• 3.3.5 样品的PL表征
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2的结构和光学性能的影响'>第四章 煅烧对N-TiO₂的结构和光学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 N掺杂二氧化钛的制备
• 4.2.2 样品的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 样品的XRD分析
• 4.3.2 样品的TEM表征
• 4.3.3 样品的IR表征
• 4.3.4 样品的XPS表征
• 4.3.5 样品的UV-VIS DRS表征
• 4.3.6 样品的PL表征
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 硕士期间完成的工作
• 致谢