纳米TiO_2光催化剂的掺杂及其性质研究

【摘要】：Ti02光催化材料由于具备活性高、价格低廉、性质稳定等特性已经成为21世纪在环境净化、水体处理等方面开发应用比较有价值的材料。但是具有较高活性的锐钛矿晶型二氧化钛的禁带宽度约为3.2eV,使得活性二氧化钛在实际中的应用受到了很大限制。另外,由于合成的二氧化钛被光激发所产生的电子和空穴的高重新复合率,使得其对污染物质的光催化效率不高(量子产率低下)。提高Ti02的光催化效率及光响应范围的方法及手段很多,主要有半导体复合、染料敏化、贵金属沉积、离子掺杂和双元素共掺杂。由此,本论文通过不同的方法合成不同掺杂二氧化钛光催化材料,以一些分析手段来评价掺杂二氧化钛的物理化学性质。具体研究内容和结果如下： (1)以钛醇盐的水解法和溶胶-凝胶法合成纯二氧化钛和掺杂二氧化钛,且研究加水量对凝胶形成的影响。通过正交实验的方法研究了加水量对钛醇盐水解及形成凝胶的影响,确定了凝胶-凝胶法合成纳米Ti02光催化材料的最优配比为：M钛酸丁酯:M无水乙醇:M冰醋酸:M去离子水=1:18:2:3.5(摩尔比),并以同样的方法确定了钛酸丁酯的水解条件。 (2)利用钛醇盐的水解法制备了一系列Nd和I掺杂Ti02光催化材料,Nd和I掺杂二氧化钛光催化材料的物理性质通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见(UV-vis)漫反射、扫描电镜(SEM)和X射线能谱(EDS)分析,在合成过程中考虑了Nd和I掺杂比例和煅烧温度对二氧化钛光催化活性的影响；以亚甲基蓝(MB)和牛血清白蛋白(BSA)考察合成掺杂二氧化钛的光催化活性,以大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)为考察对象考察所制备光催化材料的抗菌性能。结果表明,Nd掺杂能够阻止Ti02晶粒生长,并使Ti02在可见光区有几个很强的吸收峰谱(528、587 683、750、808、881 nm),这主要是由于Nd的4f电子结构所引起的。I掺杂可以极大的扩展TiO2在可见光区的响应,通过Nd和I共掺杂可以使掺杂Ti02在可见光区的能带最小扩展到2.82ev(MNd：MI：MTi=5：10：100(摩尔比))。在300W碘钨灯下对MB光催化降解和对BSA损伤有最高光催化活性掺杂Ti02掺杂比例为MNd：MI：MTi=5：10：100(摩尔比),其对MB的降解速率为3.86×10-2min-1约是纯TiO2(2.28×10-3min-1)的17倍；最佳掺杂比例材料的抗菌性主要是通过破坏E.coli和S.aureus的表面细胞膜而杀死E.coli和S.aureus. (3)利用溶胶-凝胶法制备一系列Nd和F掺杂Ti02光催化材料,Nd和F掺杂二氧化钛光催化材料的性质表征与(2)中所用方法一致,在合成过程中考虑了Nd和F掺杂比例和煅烧温度对二氧化钛光催化活性的影响；以亚甲基蓝(MB)考察合成掺杂二氧化钛分别在紫外光和可见光下的光催化活性。结果表明,Nd掺杂在Ti02中所起的作用与(2)中一样；F掺杂可以使TiO2晶型生长和结晶完整,且可以使Ti02吸收带隙红移和增强其在紫外光区的吸收,其中TiF5Nd0.5发生了最大红移,通过计算其能带为2.91eV。在紫外光激发下,对MB的光催化降解速率最高的材料为TiF5Nd0.5,其降解反应速率常数约为纯Ti02的1.76倍；在可见光激发下,对MB的光催化降解速率最高的材料同样为TiF5Nd0.5,其降解反应速率常数约为纯Ti02的1.45倍。