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《华中科技大学》 2012年
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VIB族元素掺杂改性二氧化钛膜电极的制备与光电催化降解性能研究

龚建宇  
【摘要】:为了使Ti02能够在可见光条件下实现光催化或光电催化降解有机物,就需要对其进行掺杂改性,因此,本论文以六价金属元素为掺杂物质,分别通过液相沉积法、阳极氧化法、水热溶胶法以及染料敏化等多种方式制备掺杂改性的TiO2,并将其在紫外和可见光下用于光(电)催化降解水体中的污染物。通过X射线衍射仪(XRD)、X射线能谱仪(XPS)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(FSEM)、傅利叶红外光谱(FTIR)、紫外-可见光谱分析(UV-vis)和光电化学分析等测试技术,对制备的掺杂TiO2晶体结构、能带、表面形貌、以及光电化学性能进行了详细研究。并且,利用第一性原理对掺杂体系TiO2能带和电子密度进行计算,从而解释了因掺杂引起的TiO2能带变化的本质。本论文主要研究结果如下: (1)采用液相沉积法分别制备了W、Cr和Mo掺杂的TiO2薄膜电极。相比未掺杂Ti02而言,其光电催化性能均得到了显著的提高。W-STiO2、Cr-STiO2和Mo-STiO2电极经400-C处理后均表现出锐钛矿晶型,在UV光照并外加1.5V电压时,对甲基橙(MO)的降解率2h内分别达到55%、47.9%和38.3%。经过进一步的表征发现,5%W-STi02电极具有很好的可见光光电催化活性,选取其对十二烷基苯磺酸钠(SDBS)进行可见光电降解,综合考察了不同外加电压、溶液pH值、初始浓度等因素,当外加电压为1V时,对500mg/L浓度DBS的光电催化降解率90min内可达到92%,显示出了较好的光电催化能力。另一方面,选取Cr和Fe制备了具有NP异质结构的Ti02薄膜电极,经过对多种掺杂浓度的比较分析,Cr0.4%-Fe0.7%-TiO2具有最好的光电催化性能,对MO的UV光电催化2h降解率可以达到58%。 (2)通过一种简易、有效的方法在NH4F/甘油/H2O体系中,采用阳极氧化法直接一步制得六价金属元素掺杂的TiO2纳米管(NT)。掺杂后NT的光电催化性能相比未掺杂的NT都有所增强。其中,当W的掺杂浓度为0.005M并经400℃烧结后的NT具有最好的光电催化性能,在UV并外加1.5V电压时,对MO的降解率2h可以达到78.9%。另一方面,0.015M Cr-NT并经400℃后的对MO的光电催化降解率2h也接近80%,通过XRD分析可知,Cr-NT的晶体结构即使在600℃烧结时也依然保持锐钛矿晶型,这有利于光电催化反应,同时也表明掺杂物质是进入到了TiO2晶格中。 (3)利用水热溶胶法制备了氮掺杂和六价金属元素与氮共掺杂的TiO2粉体颗粒。N-Ti02经过600℃热处理后,具有很好的光催化性能,在UV光照下对MO的降解可以达到30min内实现彻底降解,在可见光条件下对MO的降解率可以在2h内达到51.5%。共掺杂改性制备得到的W/N-TiO2具有更好的光催化性能,在可见光照射下对MO的降解率可以在2h内达到68.1%。通过形貌观测后发现,W/N-TiO2的表面形态发生了明显的变化,HRTEM的晶格参数观测后发现,掺杂后的晶面间距由未掺杂时的0.349nm增大为0.433nm,证明了掺杂的物质进入了TiO2晶格中,影响了TiO2的晶格参数,从而使得光催化性能得到增强。 (4)采用叶绿素铁钠盐(Fe-chl)作为染色剂,制备了敏化N-TiO2和W/N-TiO2颗粒电极,并在可见光条件下对MO进行光电催化降解研究。当染色剂浓度为2mM时,敏化制得的W/N-Ti02颗粒电极具有很好的光电催化性能,对MO的降解率可以在4h内达到64.3%,这主要是由于叶绿素铁钠盐能够帮助Ti02吸收一部分的可见光,减少了光的反射;另一方面叶绿素铁钠盐中的卟啉环分子结构,在光电催化反应进行时,能够形成光生空穴,从而帮助了TiO2对污染物进行催化降解。 (5)采用第一性原理研究了各种掺杂体系TiO2的能带结构,以及电子态密度分布,揭示了掺杂改性制备的TiO2的光催化性能提高的原因。相比TiO2而言,N掺杂和w、Cr或Mo与N共掺杂体系的导带和价带边界位置均向下发生偏移,禁带均变小。TiO2、N-TiO2、W-TiO2和W/N-TiO2的禁带能的理论计算值分别为3.01、2.77、2.85和2.62eV。对于W/N-TiO2的能带结构而言,导带主要是受到W3d和Ti3d轨道共同控制,价带主要受到N2p和O2p轨道共同控制,因而形成了新的能级,影响了半导体催化剂的光催化活性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O614.411;O643.36

【参考文献】
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1 周武艺;纳米TiO_2的掺杂改性及光催化性能的研究[D];湖南大学;2005年
【二级参考文献】
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5 岳林海,水淼,徐铸德,郑遗凡;稀土掺杂二氧化钛的相变和光催化活性[J];浙江大学学报(理学版);2000年01期
6 杨术明,李富友,黄春辉;染料敏化稀土离子修饰二氧化钛纳米晶电极的光电化学性质[J];中国科学(B辑 化学);2003年01期
7 金宗哲,梁金生,王静;稀土激活无机净化材料的空气净化性能研究[J];中国建材科技;2000年02期
8 俞英,顾伯锷,吴震霄,朱亚杰;TiO2在光照下分解有机污水的研究[J];石油大学学报(自然科学版);1994年02期
9 张世英,周武艺,唐绍裘;液相法制备纳米二氧化钛陶瓷粉体的研究现状及其应用前景[J];陶瓷学报;2003年02期
10 李晓娥,祖庸;液相法合成纳米二氧化钛[J];钛工业进展;1997年03期
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