铌掺杂二氧化钛介孔分子筛的合成及光催化性能研究

【摘要】：介孔氧化物因其大而规整的孔道结构和高的表面积等性质使其作为催化材料以及催化剂的载体已经受到人们的高度重视,将介孔半导体氧化物作为光催化剂催化降解有机物的研究已成为热点。作为光催化剂的主要原料,n型半导体TiO_2因催化活性高、化学稳定性好、不引起二次污染等诸多有点而成为理想的环保型光催化剂。对二氧化钛进行修饰改性,扩大二氧化钛的使用光谱范围是开拓二氧化钛在环境催化中的应用主要研究方向之一。 本论文以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,钛酸四丁酯为钛的前驱体,三乙醇胺(TEA)为水解延缓剂,无水乙醇为溶剂,制得介孔二氧化钛粉体。通过考察焙烧温度、焙烧升温速率、表面活性剂和水解延缓剂用量等因素对合成介孔二氧化钛的结构和光催化性能的影响,确定介孔二氧化钛合成的合适条件,在此基础上以草酸铌为铌前驱体,将铌元素掺杂到介孔二氧化钛体系中,制得介孔Nb_2O_5-TiO_2复合氧化物。 用X-射线粉末衍射(XRD)、热重-差热分析(TG-DTA)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等方法对样品的结构与物性进行表征。结果表明,合成介孔二氧化钛的焙烧温度范围较窄,以400℃为宜。焙烧温度高于400℃将导致介孔结构遭到不同程度的破坏。升温速率以低速率为宜。表面活性剂和水解延缓剂用量过高或过低对介孔结构形成都不利,较合适的比例为Ti/CTAB=3,TEA/Ti=3。在Nb_2O_5-TiO_2复合氧化物中,Nb元素进入二氧化钛晶格后导致晶格参数发生变化,(101)面间距增加,吸收边能量蓝移,禁带宽度增加。随着Nb掺入量的增加,复合介孔氧化物的结构稳定性下降。 选用苯酚作为目标降解物,对介孔二氧化钛、介孔Nb_2O_5-TiO_2复合氧化物等样品的光催化活性进行了评价。结果表明,在一定的目标降解物初始浓度和一定的催化剂用量下、介孔分子筛合成的工艺条件对其光催化活性有显著影响。具有规整孔道结构是介孔二氧化钛具有良好光催化活性的必要条件。少量的Nb_2O_5加入对二氧化钛的光催化活性不产生明显影响,但随着Nb_2O_5掺入量增加,复合氧化物的光催化活性下降,这可能是复合氧化物吸收边能量蓝移、禁带宽度增加的结果。