稀土摻雜二氧化鈦納米管模板法制備及光催化性能研究.pdf

1、納米TiO2是一種新型半導(dǎo)體材料，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、難溶、價格低廉，是一種較為理想的半導(dǎo)體光催化劑，在太陽能的儲存與利用、光電轉(zhuǎn)換、光致變色及光催化降解大氣和水中的污染物等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但其禁帶寬約3.2eV，激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對需用（近）紫外線光照射，其電荷載流子復(fù)合速率很快，一般發(fā)生在皮秒和納秒的時間尺度范圍內(nèi)，導(dǎo)致光催化活性不高，制約了其廣泛的實際應(yīng)用，提高其光催化性能是目前研究的主要方向之一。目前該方向的研究主

2、要集中在對TiO2納米粉體和薄膜的改性上，但改性的TiO2納米粉體和薄膜光催化性能仍較低。TiO2納米管具有比納米粉體和薄膜更大的比表面積，將TiO2制備成納米管是一種提高其光催化性能的新途徑，但目前國內(nèi)外對其研究報道極少，對摻雜稀土元素的TiO2納米管制備及其光催化性能研究鮮見報道。
　　本文利用溶膠-凝膠法，以多孔有序陽極氧化鋁膜為模板制備摻雜稀土元素鑭和鈰的TiO2納米管，以甲基橙為目標(biāo)降解物，對比未摻雜的TiO2納米管以及

3、未摻雜和摻雜稀土元素的納米粉進(jìn)行光催化降解試驗，研究其光催化性能，并對降解機(jī)理及稀土元素?fù)诫s對TiO2納米管光催化性能影響機(jī)理進(jìn)行分析。本文的主要工作包括模板和納米管的制備及研究：
　　以高純鋁片為原料，分別以草酸和硫酸為電解液，采用二步陽極氧化法制備多孔有序陽極氧化鋁膜，制得的膜厚為1~4μm，孔徑在100nm左右，孔徑均勻，排列有序的陽極氧化鋁膜可作為制備TiO2納米管的模板。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍

4、射儀等對其進(jìn)行表征，并對陽極氧化鋁膜及其陣列孔的形成機(jī)理進(jìn)行分析。根據(jù)試驗結(jié)果并結(jié)合目前幾種常見機(jī)理，可較圓滿解釋陽極氧化鋁膜及其陣列孔的形成。
　　以鈦酸丁脂為前驅(qū)物，采用溶膠-凝膠法，以多孔陽極氧化鋁膜為模板，經(jīng)后續(xù)熱處理制得分別摻雜稀土鑭、鈰和稀土鑭、鈰混合摻雜的銳鈦礦晶型TiO2納米管及納米粉，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、比表面儀、熒光光譜儀和X射線衍射儀等對其進(jìn)行表征，并對其形成的影響因素及機(jī)理進(jìn)行分析。<

5、br>　　本試驗條件下制得的TiO2納米管外徑80~130nm，內(nèi)徑50~70nm，較均勻；同樣以溶膠－凝膠法并經(jīng)后續(xù)熱處理制得的TiO2納米粉粒徑在20~30nm，較均勻。
　　在15W紫外光源照射下，經(jīng)150min光催化降解試驗表明：TiO2納米管比納米粉具有更高的光催化性能；摻雜稀土元素的TiO2納米管光催化性能優(yōu)于未摻雜的TiO2納米管；摻雜稀土鑭0.5％的銳鈦礦晶型TiO2納米管降解率達(dá)89.11%；摻雜稀土鈰2.0%的

6、銳鈦礦晶型 TiO2納米管降解率達(dá)76.87%；稀土鑭、鈰混合摻雜的銳鈦礦晶型TiO2納米管在摻雜鑭0.3%和摻雜鈰1.5%時降解率可達(dá)95.24%，正交試驗表明該混合摻雜量下，光催化性能最優(yōu)。
　　稀土元素?fù)诫s降低了TiO2電子-空穴對的復(fù)合幾率，使其光催化性能提高；TiO2制備成納米管大大增加了比表面積，增大催化活性，從而進(jìn)一步提高其光催化性能。
　　本研究為進(jìn)一步提高TiO2光催化性能，使其在諸多領(lǐng)域得到廣泛的實質(zhì)性應(yīng)