二氧化钛半导体光催化剂的制备、改性及其光催化性能研究

【摘要】：随着人们对环境保护和清洁能源开发越来越重视,污水处理问题成了当今治理环境的重大问题之一。光催化技术在治理环境污染领域应用前景广阔,且因该技术高效节能环保被广泛关注。第一代半导体光催化剂二氧化钛,因安全无毒、高稳定性、低成本和强氧化能力而被认为是最具前景的光催化剂。但由于二氧化钛对太阳光利用率低、光生载流子易复合,致使其光催化活性低,这些局限性的存在限制了二氧化钛在能源和环境领域的广泛应用。本文通过表面活性剂(聚乙二醇)、离子掺杂(氮掺杂)和形貌调控剂(氢氧化钾)改性处理二氧化钛,以达到提高其光催化性能的目的。通过单因素实验探究各工艺参数对二氧化钛光催化性能的影响,确定了最佳工艺参数,并对改性处理的二氧化钛进行了机理分析。具体工作如下:(1)以钛酸四丁酯为钛源,聚乙二醇(分子量为4000和10000)为表面活性剂,无水乙醇为溶剂,冰醋酸为抑制剂,通过溶胶-溶剂热法结合煅烧处理制备聚乙二醇修饰的二氧化钛。对比分析聚乙二醇(分子量为4000和10000)修饰的二氧化钛和未加入聚乙二醇的二氧化钛(纯二氧化钛),在晶粒尺寸、比表面积、形貌、光催化性能等方面的差异。通过单因素实验探究了不同分子量的聚乙二醇用量、反应温度、反应时间、煅烧温度、煅烧时间对样品光催化性能的影响,确定了最佳工艺参数。最佳工艺制备的聚乙二醇修饰的二氧化钛,晶型为锐钛矿型,晶粒尺寸约为7.6 nm,比表面积为93 m~2 g~(-1),分散性较好。模拟可见光下降解甲基橙溶液120 min,最终降解率为99.6%,是纯二氧化钛(最终降解率为94%)的1.06倍。(2)以钛酸四丁酯为钛源、溶胶-溶剂热法制备的纯二氧化钛为前驱体,水合肼为氮源,通过水热法制备氮掺杂二氧化钛。对比分析氮掺杂二氧化钛和纯二氧化钛,在晶粒尺寸、比表面积、形貌、光催化性能等方面的差异。通过单因素实验探究了水合肼用量、水热时间、水热温度对样品光催化性能的影响,确定最佳工艺参数。最佳工艺制备的氮掺杂二氧化钛,晶型为锐钛矿型,晶粒尺寸为9 nm,比表面积为94.4 m~2 g~(-1),分散性良好。模拟可见光下降解甲基橙溶液120 min,最终降解率为98.9%,是纯二氧化钛(最终降解率为94%)的1.05倍。(3)以硫酸钛为钛源,硫酸钛和氢氧化钠反应得到的氢氧化钛为前驱体,氢氧化钾溶液为形貌调控剂,通过共沉淀法结合水热法并经过煅烧处理合成一维二氧化钛纳米带。对比分析加入氢氧化钾溶液和未加入氢氧化钾溶液的二氧化钛,在晶粒尺寸、比表面积、形貌、光催化性能方面的差异。通过单因素实验探究了氢氧化钾的浓度、水热时间、水热温度对样品光催化性能的影响,确定了最佳工艺参数。最佳工艺制备的二氧化钛纳米带,晶型为锐钛矿型,长度在1μm以上,宽度约为20-60 nm,比表面积约为78 m~2 g~(-1)。紫外光下降解甲基橙溶液60 min,最终降解率为98.2%,是未加入氢氧化钾溶液二氧化钛(最终降解率为82.9%)的1.18倍;模拟可见光下降解甲基橙溶液120min,最终降解率为78.56%,是未加入氢氧化钾溶液二氧化钛(最终降解率为60.77%)的1.29倍。