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氮磷掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究

郭思瑶  
【摘要】:光催化剂由于具有能够很有效的降解环境污染物的特性而引起了人们的广泛关注。在各种光催化剂中,纳米二氧化钛光催化剂在紫外光的激发下能够将一些毒性大、生物难降解的有机污染物彻底氧化无毒的无机物质,例如二噁英。而且由于光催化活性高、无毒、化学性质稳定、价格低廉而被广泛研究和应用。然而,目前光催化剂仍存在制备方法繁琐、产率低、无法实际应用;可见光利用率低;对高活性(001)面的形成过程及催化反应机理的了解不深入等不足之处。其中由于二氧化钛的禁带宽度比较宽,只能被能量比较高的紫外光激发,这极大的限制了二氧化钛在社会中的广泛应用。幸运的是,目前已经有很多方法来扩大二氧化钛的光敏感区,例如金属掺杂和非金属掺杂。其中非金属掺杂可以使二氧化钛的光响应区扩大到可见光区,对提高二氧化钛的光催化性能非常有效。常用的非金属掺杂有C、N、F、S、P掺杂。在这篇论文里,作者将采用氮元素,磷元素和硫元素对二氧化钛进行掺杂改性,以提高二氧化钛的光催化性能。针对以上分析提出的目前光催化技术中存在的关键科学技术问题,作者进行了一下几方面的研究: 采用高压水热合成和溶胶凝胶两种方法对二氧化钛进行磷掺杂。并用XRD, XPS等测试对掺杂后的二氧化钛进行表征分析。用氙灯模拟太阳光源,在氙灯的照射下降解亚甲基蓝,结果表明用水热法合成的样品的光催化活性显然要比用溶胶凝胶法合成的样品好很多,用水热法合成的样品最小粒径达到4.5nm。另外,用水热法成的样品的晶格中存在更多的四面体结构,从而产生更多的氧空穴,这对提高二氧化钛的光催化活性特别有利。磷掺杂可以显著的提高二氧化钛的光催化性能,水热合成法是制备磷掺杂二氧化钛最佳的方法。由于磷掺杂二氧化天具有良好的光催化活性,因而也可能在处理污水发面发挥很好的功效。 采用水热法分别合成了氮掺杂,氮硫共掺杂和氮磷共掺杂二氧化钛,并对样品进行XRD, XPS等表征测试。用亚甲基蓝的降解率对比样品光催化性能的变化。结果表明氮磷共掺杂的样品的光催化性能最为优越。通过XPS分析,作者认为PO43-可能做为整体参与反应掺杂到晶格中去,这将导致更多的晶格变形和氧空穴的产生,结果表明,含有更多氧缺陷位的氮磷共掺杂的二氧化钛的光催化性能最高。 采用高压水热合成法,通过参数的调整控制催化材料的组成和结构,从而精密而有效的控制反应路径,实现了低温可控制备具有特殊形貌TiO2纳米催化材料;并通过XPS、XRD、SEM等手段分析测试催化剂的结构、形貌及反应过程中的产物变化,探讨了晶体的生长过程及反应机理,为研究具有特殊结构的高催化活性的纳米复合催化材料的简单合成方法,为开发廉价、高效的光催化剂提供新的思路及理论依据。


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