二氧化鈦納米晶的溶膠法低溫制備機(jī)理及其摻雜研究.pdf

1、納米TiO2無毒、光化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化能力強(qiáng)，具有很高的光催化活性。紫外光甚至可見光照射下可以降解絕大多數(shù)環(huán)境污染物，還具有廣譜滅菌性。在環(huán)境凈化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本工作對溶膠體系中TiO2納米晶的制備和摻雜進(jìn)行了研究，旨在揭示溶膠體系中TiO2納米晶的低溫制備機(jī)理，并通過摻雜拓寬其光響應(yīng)范圍，提高其光催化活性。
　　 本文首先介紹了TiO2的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和光催化機(jī)理，總結(jié)了TiO2納米材料的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，展開了TiO

2、2基納米晶的溶膠法低溫制備的研究。用大水溶膠體系制備了TiO2納米晶、釩摻雜TiO2納米晶、Ag納米顆粒/TiO2納米晶和TiO2基納米晶薄膜。用X-Ray衍射(XRD)，透射電鏡(TEM)，紅外光譜(IR)，X射線光電子能譜(XPS)，掃描電子顯微鏡(SEM)，X射線色散能譜(EDS)，紫外－可見吸收光譜等分析手段研究了TiO2基納米晶的結(jié)晶行為、微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和光催化性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下。
　　 以鈦酸丁酯為鈦源

3、，采用大水體系的溶膠法在室溫下制備得到了TiO2納米晶，確定形成TiO2納米晶的參數(shù)范圍為水與鈦酸丁酯的摩爾比≥40，pH≤3。該納米晶由銳鈦礦和板鈦礦兩相組成，晶粒尺寸為5-6納米，尺寸分布均勻。對制備機(jī)理的研究表明，鈦酸丁酯的水解反應(yīng)足夠快而徹底的進(jìn)行，是低溫下制得TiO2納米晶的關(guān)鍵。此時(shí)，水解產(chǎn)物全部由無機(jī)物Ti-O-Ti或Ti—OH組成，這些無機(jī)產(chǎn)物通過后續(xù)的縮聚形成相互連接的[TiO6]八面體，最終形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。對得到

4、的TiO2納米晶的光催化性能的研究結(jié)果表明，其光催化活性高于商用P25(Degussa)TiO2。
　　 以乙酰丙酮氧釩為釩源，采用溶膠法在室溫下制備得到了釩摻雜TiO2納米晶。與室溫制備的純TiO2納米晶相比，制備釩摻雜TiO2納米晶所需水量更多(水與鈦酸丁酯的摩爾比≥200)。同時(shí)，體系pH的變化對摻釩TiO2結(jié)晶行為的影響更大。得到的釩摻雜TiO2是O八面體空隙中的Ti離子被V離子取代所形成的Ti1-xVxO2固溶體。結(jié)晶

5、度隨釩含量的增加而減弱，晶粒尺寸隨著釩含量的增加不斷變小。對制備機(jī)理的研究表明，乙酰丙酮氧釩分子分解的VO2+以[VO(H2O)5-x(OH)x](2-x)+水合離子存在，陳化過程中，這些水合離子通過縮聚反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為[VO6]準(zhǔn)八面體。[VO6]準(zhǔn)八面體和[TiO6]八面體通過共角頂和共邊連接在一起，最終形成有序的晶體結(jié)構(gòu)。釩摻雜TiO2的帶隙比純TiO2窄。在日光照射下的光降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室溫下得到的釩摻雜TiO2納米晶能響應(yīng)可見光

6、，是利用日光降解甲基橙等有機(jī)物的良好光催化劑。
　　 以硝酸銀為銀源，采用溶膠法在室溫下制備得到了Ag納米顆粒/TiO2納米晶復(fù)合材料。DEA的加入是得到銀單質(zhì)納米顆粒的關(guān)鍵，其加入次序?qū)iO2的結(jié)晶行為有很大影響。復(fù)合材料由TiO2的銳鈦礦、板鈦礦和銀單質(zhì)三相組成。復(fù)合材料中TiO2晶體粒徑幾乎不變，約為5-6納米。銀單質(zhì)晶粒尺寸約為6納米。但樣品中的銀晶粒存在團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著銀含量的增加，團(tuán)聚更加嚴(yán)重，銀顆粒變大，尺寸分布變

7、寬。得到的Ag納米顆粒/TiO2納米晶復(fù)合材料的光催化活性均比純TiO2的高。
　　 對低溫下TiO2、釩摻雜TiO2納米晶和Ag納米顆粒/TiO2納米晶薄膜化的初步研究結(jié)果表明，將含納米晶的溶膠用旋涂法涂覆在載玻片上，經(jīng)約150℃處理，可以得到附著良好的TiO2基薄膜。這些膜中均存在TiO2晶體，但結(jié)晶度較弱。同時(shí)，Ag/TiO2薄膜中還存在銀單質(zhì)。TiO2，釩摻雜TiO2，Ag/TiO2納米晶薄膜在紫外和日光下的光催化性能研