寬譜系光催化改性納米TiO2的制備及其性能研究.pdf

1、隨著人類社會的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題逐漸成為了威脅現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵難題之一。半導(dǎo)體光催化技術(shù)不僅可以綠色高效率的降解環(huán)境中的污染物，其在可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用還可以替代化石能源從而避免化石燃料燃燒帶來的環(huán)境污染。因此光催化技術(shù)對應(yīng)對環(huán)境污染和能源危機(jī)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要且深遠(yuǎn)的意義。納米TiO2是目前廣泛應(yīng)用的光催化劑，它擁有性質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、綠色無危害等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目，目前在光催化領(lǐng)域具有最廣泛的應(yīng)用。
　　但是由于TiO

2、2的能隙較寬(3.2eV)，僅對占太陽光五個百分比的紫外線發(fā)生響應(yīng)，大大浪費(fèi)了太陽能，另外光激發(fā)產(chǎn)生的載流子易復(fù)合也是阻礙TiO2光催化性能提高的主要因素之一。因此怎樣擴(kuò)展TiO2的光響應(yīng)范圍，以及抑制載流子的復(fù)合一直是人們最為關(guān)心的問題和努力方向。本文利用陽極氧化法結(jié)合浸漬法、水熱法，通過優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，合成TiO2、N，F(xiàn)e-TiO2納米管以及N，F(xiàn)e摻雜的Bi2WO6/TiO2復(fù)合材料，研究了不同反應(yīng)條件對其形貌結(jié)構(gòu)的影響，并對其寬

3、譜范圍光吸收性能以及在不同條件下光催化性能進(jìn)行了探討。本文對以下方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與探究，并得出了相應(yīng)的結(jié)果:
　　一、TiO2納米管陣列的制備
　　使用電化學(xué)陽極氧化法，以NH4F的乙二醇溶液作電解質(zhì)，在鈦片的表面獲得了TiO2納米管陣列膜，用掃描電鏡觀察膜的形貌，可以看到一根根整齊且豎直生長的納米管。討論了電解液中醇水比和氟化銨含量、持續(xù)時間、施加電壓等對形成TiO2納米管陣列的影響。結(jié)果表明制得的TiO2納米管的管徑和長度與

4、氧化過程中的電壓呈正相關(guān)，當(dāng)電壓達(dá)到60V時，納米管管口出現(xiàn)破裂，開始有納米線生成，而在80V電壓下TiO2納米管陣列膜的表面堆積大量的納米線。紫外-可見漫反射光譜顯示制備的TiO2納米管陣列在紫外光區(qū)具有良好的吸收。鈦片氧化時的電流密度-時間圖可以看出陽極氧化過程分為三個階段，而在高電壓下納米管的生長狀態(tài)不穩(wěn)定。
　　二、N，F(xiàn)e摻雜TiO2納米管的合成與性質(zhì)研究
　　使用水熱法制得了TiO2納米管，并使用浸漬法對TiO2

5、納米管陣列與TiO2納米管進(jìn)行了氮和鐵的摻雜，得到Fe-TiO2、N-TiO2和Fe,N-TiO2納米管和納米管陣列。鐵和氮的摻雜二氧化鈦在可見光區(qū)的吸收明顯提升。對不同摻雜類型的TiO2納米管和TiO2納米管陣列在太陽光下進(jìn)行了甲基橙去除實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，光照160min后，甲基橙的降解率對應(yīng)于TiO2納米管陣列、Fe-TiO2納米管陣列、N-TiO2納米管陣列以及Fe，N-TiO2納米管陣列分別為32.60％、50.41％、53.29

6、％、62.80％;光照180min后，甲基橙的降解率對應(yīng)于TiO2納米管、Fe-TiO2納米管、N-TiO2納米管以及Fe,N-TiO2納米管分別為38.6％、52.21％、65.44％、66.82％。摻雜Fe、N后的TiO2相較于未摻雜TiO2光催化性能都有了顯著的增加。
　　三、寬譜吸收TiO2納米管陣列的制備及光催化降解醫(yī)院廢水研究
　　使用水熱法制得了100nm左右鎢酸鉍納米片，找出了合適的合成條件。使用水熱法對鐵氮

7、摻雜二氧化鈦納米管陣列進(jìn)行鎢酸鉍的復(fù)合。制備出的改性二氧化鈦光催化劑表現(xiàn)出寬波譜范圍的光吸收以及較高的光催化效率。紫外-可見-近紅外漫反射吸收光譜顯示，N，F(xiàn)e-Bi2WO6/TiO2在可見乃至近紅外區(qū)都有較強(qiáng)的吸收，成功實(shí)現(xiàn)了寬波段光催化。N，F(xiàn)e-Bi2WO6/TiO2納米管陣列對甲基橙具有很強(qiáng)的降解能力，在陽光下對于甲基橙的降解率相對于未摻雜二氧化鈦納米管陣列提高了171％。陽光下對醫(yī)藥廢水的COD去除率相對于未摻雜二氧化鈦納米管