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《河北师范大学》 2009年
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可见光响应非金属掺杂纳米二氧化钛的制备及性能研究

刘艳敏  
【摘要】: 二氧化钛具有光催化活性高、化学性质稳定、无毒和低成本等优势,是一种优良的光催化剂,具有广泛的应用前景。但是,TiO_2的禁带宽度较大(Eg=3.2eV),需要在入≤387.5nm的紫外光照射下才能表现出光催化活性。在太阳光中这部分能量仅占3-5%,限制了对太阳能的有效利用。此外TiO_2混晶中两相晶型比例难以调控、相转化温度低等也成为制约其大规模实用化的瓶颈问题。因而,具有可见光响应、晶型可调控、低成本且热稳定性较高的纳米TiO_2光催化剂的研究开发成为该技术的核心问题。 本论文以廉价易得的无机盐TiCl_4为原料,采用沸腾回流强迫水解法制备纳米TiO_2。利用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)、X-射线光电子能谱(XPS)、紫外拉曼光谱(UV-Raman)等表征手段研究了不同元素掺杂及不同掺杂量对TiO_2粉体粒径、形貌和晶相组成的影响。制备出粒径小、晶相组成可控且具有可见光响应的纳米TiO_2粉体。 选用磷酸二氢钠、硫酸钠、硅酸钠作为磷、硫、硅来源,合成了非金属磷、硫、硅掺杂的纳米TiO_2。采用XRD、TEM等表征手段研究了非金属掺杂对粉体粒径、形貌和晶相组成的影响;利用UV-Vis研究了掺杂TiO_2的吸收光谱;使用XPS研究了掺杂元素磷、硫、硅在纳米TiO_2表面和体相的化学状态。实验结果表明:P、S的掺杂有利于形成锐钛矿型TiO_2,添加量与产物中锐钛矿百分含量成线性关系,有利于调控混晶中两相的比例。P掺杂使得产物的相转变温度有了显著提高,其中效果最明显的8%P-TiO_2相转变温度为1000℃,比文献中报道的提高了400℃左右。S掺杂得到了小粒径、均匀球型的纳米TiO_2,并且有Ti-O-S键的形成。Si的掺杂有利于锐钛矿相纳米TiO_2的形成,掺杂后样品均为混晶,产物粒径较未添加前有所减小,形成了Ti-O-Si键。紫外-可见漫反射吸收光谱表明:P、S、Si掺杂TiO_2的吸收边发生明显红移拓展至可见光区。 采用甲基橙作为模拟污染物,研究了掺杂TiO_2在紫外光照射和低功率LED可见光照射下的光催化活性。结果表明:在紫外光照射下P、S、Si掺杂TiO_2的光催化活性均远远高于未掺杂时,且很多样品优于P25。其中光催化效果最好的样品分别为:0.8%P-TiO_2,0.8%S-TiO_2和0.6%Si-TiO_2,它们在90min降解率分别为:96.91%,96.1%和94.5%;同样条件下未掺杂样品和P25的降解率分别为54.9%和75.0%。在可见光照射下,P25与未掺杂样品均无可见光光催化活性,而掺杂后样品均表现了良好的光催化活性,其中光催化效果较好的0.8%P-TiO_2,0.8%S-TiO_2和0.6%Si-TiO_2在4h时的降解率分别达到了94.5%,79.5%,82.8%。探讨了三种元素掺杂的最佳掺杂量并初步分析掺杂后提高可见光催化活性可能的机理。
【学位授予单位】:河北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O643.36

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