锑掺杂二氧化钛的制备及其光催化性能研究

论文摘要

TiO2作为一种环境材料，由于具有无毒、光催化活性高、物理化学性能稳定、价廉等特点，在环境污染治理、太阳能综合利用等方面正发挥着越来越重要的作用。但TiO2的光催化活性通常需要由紫外光线来激发，由此造成其不能直接利用太阳光中的可见光部分，使其应用过程出现不便，且提高了使用成本。克服这一缺点的有效方法是利用金属离子掺杂改性，改变TiO2的能带结构，使其能吸收太阳能中的可见光部分。 本文采用草酸氧钛酸前驱物分解工艺，制备了掺杂锑的二氧化钛粉体，以有机磷农药甲胺磷为例，评价了掺杂二氧化钛光催化剂在可见光下的光催化性能。借助X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见光（UV-Vis）分光光度计等对光催化剂及其光催化效率进行了表征。 结果表明，所制备的样品为金红石相和锐钛矿相的混晶，颗粒形状不规则，粉体粒度在100nm左右，且有一定的团聚。XPS结果表明掺入的锑离子以Sb5+的形式存在，锑掺杂进入TiO2晶格后影响了Ti周围的化学环境，使其电子结合能有所增加。掺杂离子锑的引入，阻碍了TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变，提高了TiO2的A→R相转变温度。在可见光下，用锑钛掺杂比为0.2％、900℃煅烧保温0.5h后的TiO2降解6h后，甲胺磷的无机磷回收率达到96.4％。掺杂量超过0.2％时，其光催化降解有机物的能力下降。 采用将催化剂物理化学性质与催化活性进行关联的方法，对光催化活性变化规律进行了分析，讨论了掺杂可见光化的可能机制。认为由于掺杂离子进入TiO2光催化剂晶格后，改变了原TiO2的能带结构，在禁带中形成了新的施主掺杂能级，使其带隙减少，TiO2价带电子的跃迁路径发生改变，从而能吸收可见光。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 前言
• 2光催化的发展历程'>1.1 TiO₂光催化的发展历程
• 2光催化反应机理'>1.2 TiO₂光催化反应机理
• 2的能带结构'>1.2.1 TiO₂的能带结构
• 1.2.2 半导体光催化机理
• 2光催化降解效率的影响因素'>1.3 TiO₂光催化降解效率的影响因素
• 1.3.1 晶体结构的影响
• 1.3.2 晶粒度的影响
• 1.3.3 表面性能的影响
• 1.3.4 改性技术的影响
• 2光催化剂的制备方法'>1.4 TiO₂光催化剂的制备方法
• 1.4.1 水解法
• 1.4.2 溶胶-凝胶法（Sol-gel法）
• 1.4.3 水热合成法
• 1.4.4 微乳液法
• 1.4.5 均匀沉淀法
• 2光催化剂的可见光响应研究进展'>1.5 TiO₂光催化剂的可见光响应研究进展
• 1.5.1 金属离子掺杂
• 1.5.2 非金属离子掺杂
• 1.5.3 表面光敏化
• 1.5.4 复合半导体
• 1.6 本课题的提出和研究思路
• 第2章 二氧化钦的制备与表征
• 2.1 试剂和仪器
• 2.1.1 主要试剂
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 光催化剂的制备与表征
• 2制备的基本原理及过程'>2.2.1 掺杂 TiO₂制备的基本原理及过程
• 2.2.2 样品的表征
• 2.3 光催化降解实验过程
• 2.3.1 甲胺磷的光催化降解实验
• 4^3-含量的测定'>2.3.2 PO₄^3-含量的测定
• 2.3.3 光催化降解过程的动力学拟合
• 第3章 制备条件对二氧化钦性质的影响
• 3.1 掺杂离子的选择与引入
• 3.2 光催化剂制备条件分析
• 4+的摩尔比'>3.2.1 草酸与 Ti⁴⁺的摩尔比
• 2[TiO（C₂O₄4）₂]焙烧温度制度'>3.2.2 H₂[TiO（C₂O₄4）₂]焙烧温度制度
• 3.3 样品测试分析表征结果及其分析
• 3.3.1 XRD表征结果及分析
• 3.3.2 SEM和 TEM表征结果及分析
• 3.3.3 XPS表征结果及分析
• 第4章 二氧化钛的可见光催化性能及可见光化机理
• 4.1 光催化剂对甲胺磷的降解结果
• 4.1.1 掺杂量对光降解甲胺磷的影响
• 4.1.2 保温时间对光催化效率的影响
• 4.1.3 光照时间对光催化效率的影响
• 4.1.4 光催化反应动力学
• 2可见光化机理'>4.2 锑掺杂 TiO₂可见光化机理
• 结论
• 致谢
• 参考文献