摻雜納米TiO2的制備、結(jié)構(gòu)與光催化性研究.pdf

1、隨著世界各國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人口的急劇增長，引致了一系列的問題，水污染事件頻頻發(fā)生。我國監(jiān)察部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，近幾年水污染事故每年都在1700起以上。全國城鎮(zhèn)中，飲用水源地水質(zhì)不安全涉及的人口達(dá)1.4億人。由于污水和廢水中含有大量的有機(jī)物，但有許多有機(jī)污染物是很難被完全降解的，這就成為了環(huán)境治理方面的一個(gè)難題。光催化由于對環(huán)境無二次污染、操作簡單，特別適用于治理一些不能或很難被生物降解的有毒有機(jī)物。TiO2是目前最有應(yīng)用前景的光催化劑。本

2、文試圖研制用于污水處理領(lǐng)域的摻雜TiO2光催化劑，為提高納米TiO2的光催化性，采用溶膠凝膠法制備了金屬In3+、非金屬B摻雜以及稀土金屬Nd3+與非金屬N共摻雜、金屬V與非金屬N共摻雜納米TiO2光催化劑粉體，采用XRD、UV-Vis、TEM以及紫外可見分光光度計(jì)等測試手段表征了樣品的結(jié)構(gòu)與性能，研究了不同的摻雜種類對納米 TiO2晶粒結(jié)構(gòu)、形貌及光催化性能的影響。
　　研制了不同In3+摻雜量的納米TiO2光催化劑，結(jié)果表明，

3、隨著In3+摻雜量的增加，In3+/TiO2樣品的MB降解效率先增大后減小，In3+加入量為12mol/L的D3樣品的光催化活性最高，一級動(dòng)力學(xué)常數(shù)為8.7×10-3min-1，4h降解率達(dá)到90.48％，高于純相TiO2樣品的降解率（82.75％）。制備的In3+/TiO2樣品均為銳鈦礦結(jié)構(gòu)，晶格畸變較大。D3樣品的吸收波長最大為494.65nm，較純相納米 TiO2紅移了68nm。TEM分析表明，D3樣品平行晶面之間的條紋寬度0.3

4、524nm，對應(yīng)TiO2強(qiáng)衍射峰（101）的晶面間距；傅里葉變換電子衍射花樣為多晶衍射環(huán)，屬于四方晶系，說明 In3+摻雜可以抑制納米 TiO2晶粒的生長。提高光催化活性機(jī)理研究表明，加入的In3+在TiO2的表面上形成O-Ti-Cl結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生很多捕獲光生電子的空位；低帶隙的In2O3能俘獲電子，將位于In2O3的導(dǎo)帶上的電子轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶，形成電子與空穴的捕獲陷阱，阻礙了電子與空穴的復(fù)合，改善了樣品的光催化活性。
　　研制

5、了不同B摻雜量的納米TiO2光催化劑，結(jié)果表明，隨著硼酸摻雜量的增加，納米TiO2的光催化效率先增大后減小，硼酸摻雜量為0.8mol/L的G5樣品的光催化活性最高，4h降解率達(dá)到89.74％， G5的一級動(dòng)力學(xué)常數(shù)高達(dá)8.5×10-3min-1。硼酸摻雜納米TiO2相組成均為銳鈦礦型，結(jié)晶度較高，硼酸的加入抑制了TiO2晶粒的長大。G5樣品的平均晶粒尺寸為最?。?3.68nm），晶格畸變達(dá)到最大（20.62％）。G5樣品的吸收波長為44

6、8.42nm，較純相納米TiO2樣品紅移了22nm；TEM研究發(fā)現(xiàn)，G5樣品平行晶面的條紋寬度為0.3517nm，對應(yīng)TiO2主衍射峰（101）的晶面間距。提高光催化效率的機(jī)理探討表明，摻雜反應(yīng)過程中， B離子最大可能性是進(jìn)入TiO2的間隙，在TiO2晶格中以B-O-Ti鍵存在，進(jìn)入TiO2晶格間隙的B離子2p軌道與O的2p軌道發(fā)生了重合，造成帶隙能降低，拓寬了吸收光譜。
　　研制了N-Nd3+共摻雜納米TiO2光催化劑，結(jié)果表明

7、，隨著Nd3+摻雜量的增加，N-Nd3+/TiO2的MB降解效率先增大后減小，N摻雜量為15mol/L、Nd3+摻雜量為0.5mol/L的M3樣品的光催化活性最高，4h降解率達(dá)到89.52％，一級動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大，達(dá)9.2×10-3min-1。制備的N-Nd3+摻雜納米TiO2相組成均為銳鈦礦相，結(jié)晶度較高，晶格畸變較大，晶胞體積都發(fā)生了膨脹。M3樣品的吸收波長達(dá)到463.29nm，較純相納米TiO2樣品紅移了37nm。TEM研究發(fā)現(xiàn)，M

8、3晶粒平行晶面的條紋寬度為0.3513nm，對應(yīng) TiO2強(qiáng)衍射峰（101）的晶面間距，其衍射斑點(diǎn)為四邊形。提高光催化效率機(jī)理研究表明，摻雜反應(yīng)過程中，N原子部分取代O原子及少量 N3-進(jìn)入 TiO2晶格中引起晶格畸變，導(dǎo)致電荷不平衡；Nd3+摻入引起的晶格缺陷，影響電子轉(zhuǎn)移過程，激發(fā)光生電子和空穴的分離，降低了TiO2帶隙值，產(chǎn)生紅移，擴(kuò)展光響應(yīng)范圍，吸收可見光。
　　研制了N-V共摻雜納米TiO2光催化劑，結(jié)果表明，隨著V摻雜

9、量的增加，納米TiO2的光催化效率先增大后減小，N摻雜量為15mol/L、V摻雜量為0.9mol/L的T2樣品的光催化活性最高，4h降解率達(dá)到89.13％。T2的一級動(dòng)力學(xué)常數(shù)最大，達(dá)8.7×10-3min-1。N-V摻雜納米 TiO2相組成均為銳鈦礦相，結(jié)晶度較高。T2樣品的紅移量最大，達(dá)到71nm。TEM研究發(fā)現(xiàn)，T2樣品平行晶面的條紋寬度為0.3514nm，對應(yīng)TiO2主衍射峰（101）的晶面間距；由傅里葉變換電子衍射花樣可知，其

10、衍射斑點(diǎn)為四邊形。提高光催化效率機(jī)理研究表明，摻雜反應(yīng)過程中，V5+可以作為光生電子捕獲中心，抑制光生電子-空穴對的復(fù)合，V5+摻雜可以使TiO2形成Ti1-xVxO2固溶體，減小其禁帶寬度，能吸收可見光區(qū)的能量；陰離子N3-摻雜納米TiO2時(shí)，形成中間雜質(zhì)能級或者取代TiO2中的O原子后，使TiO2價(jià)帶位置升高，禁帶寬度值小，從而拓寬其吸收光譜。
　　通過對金屬單摻雜、非金屬單摻雜、非金屬-稀土共摻雜及非金屬-非金屬共摻雜納米T