摻雜納米二氧化鈦的形貌控制與性能研究.pdf

1、二氧化鈦納米材料被普遍認(rèn)為具有優(yōu)異的光催化活性，是良好的光催化材料，它能將環(huán)境中存在的微量有機(jī)物降解為無污染的無機(jī)物，同時(shí)它的高的比表面積、安全、性能穩(wěn)定、無毒副作用、無二次污染、成本低廉和優(yōu)異的電子傳輸行為這些優(yōu)異的特征，使得二氧化鈦具有了廣泛的應(yīng)用前景，也引起了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是，納米二氧化鈦(禁帶寬度約為3.2eV)必須在紫外光下才能表現(xiàn)為良好的催化性能，而紫外光在太陽光中占得比例很?。s5％），因而限制了它的應(yīng)用。因此必須

2、通過對其進(jìn)行改性來提高其在可見光區(qū)的光催化活性。本文中主要對在二氧化鈦球形前驅(qū)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行非金屬元素與稀土元素的摻雜改性，以求通過控制摻雜元素的摻雜量來控制其形貌、改變二氧化鈦的晶體結(jié)構(gòu)以降低光生電子和空穴的復(fù)合，從而提高納米二氧化鈦光催化劑的光催化活性。
　　 本文通過以鈦酸丁酯(TBT)為主要原料，采用鹽溶液輔助的醇鹽水解法，成功制備出了無定型納米二氧化鈦微球。以此微球?yàn)榍膀?qū)體原料，通過微波水熱法進(jìn)行了F、N摻雜和Fe3+

3、的摻雜研究。實(shí)驗(yàn)得到具有規(guī)則形貌，高的結(jié)晶度以及高比表面積的二氧化鈦納米粒子，并采用甲基橙(MethylOrange，MO)、亞甲基藍(lán)(Methyl Blue，MB)等模擬有機(jī)污染物對其光催化活性進(jìn)行了研究。通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)、JSM3010型透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，TEM)、X射線衍射儀(X-ray Diffr

4、action，XRD)、X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)、N2吸附脫附(Nitrogen absorption-desorption)、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Reflectance Spectroscopy，F(xiàn)TIR)、紫外-可見漫反射光譜(Diffuse Reflectance Ultraviolet-visible Spe

5、ctroscopy，UV-vis)、光致發(fā)光光譜(Photoluminescence Spectrospcopy，PL)等表征方法系統(tǒng)分析了二氧化鈦的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探討了二氧化鈦的結(jié)晶度、比表面積、元素組成以及摻雜量等因素對光催化活性的影響。另外，對二氧化鈦納米材料進(jìn)行金屬元素?fù)诫s改性，以提高二氧化鈦納米材料在可見光區(qū)域的光催化活性。文中分別討論了棒狀組裝微球、空心微球、及羽毛狀Fe2O3/TiO2納米粉體的制備與表征，并結(jié)合TEM、SE

6、M對生長過程進(jìn)行了初步探討。
　　 結(jié)果表明：(1)采用溶膠-微波水熱法使二氧化鈦前驅(qū)體微球表面形成自組裝介孔結(jié)構(gòu)，得到F摻雜的介孔TiO2微球。結(jié)果表明：微球的直徑約為400nm，由于NaF的加入，納米晶粒(12±0.5nm)和介孔(≈10nm)的形成使粗糙度明顯增強(qiáng)；F的摻雜沒有引起新的螢光現(xiàn)象，但F的摻雜能夠增加TiO2微球PL光譜的強(qiáng)度。另外，F(xiàn)摻雜后光催化性能明顯提高，當(dāng)摩爾比NaF:TiO2=2:5時(shí)，所得樣品光催化

7、活性最高。(2)兩步無模板法成功制備了TiO2空心微球，其具有明顯的空心結(jié)構(gòu)，表面殼層存在大量的納米晶因而具有高的比表面積。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對形成機(jī)理進(jìn)行了初步分析，并對其進(jìn)行了光催化活性測試?？梢宰C明具有高的比表面積的樣品具有高的催化活性。(3)通過微波水熱法制備了N摻雜的介孔TiO2微球，其比表面積均大于90m2/g，而且孔徑尺寸可控。氨水加入起到了N源和結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的作用，結(jié)果表明：摻雜的N元素以NHx或NOx的形式吸附在微球表面改變了

8、微球表面的電子結(jié)構(gòu)。當(dāng)樣品具有有序化結(jié)構(gòu)，高的比表面積及高的結(jié)晶度時(shí)樣品具有高的催化活性。(4)通過水熱法成功對TiO2粉體進(jìn)行了Fe3+摻雜，得到Fe2O3/TiO2羽毛狀納米復(fù)合材料。采用SEM、XRD、IR和UV-vis等技術(shù)對其形貌、組織結(jié)構(gòu)與表面結(jié)構(gòu)及其光譜響應(yīng)特性等進(jìn)行了表征。結(jié)果表明所得羽毛狀粉體存在銳鈦礦和板鈦礦兩種晶型，F(xiàn)e3+可能被均勻分散于TiO2的晶體結(jié)構(gòu)中；Fe3+的摻入使TiO2粉體的起始吸收帶邊發(fā)生了明顯地