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硼、氮掺杂二氧化钛催化剂制备、表征及可见光性能研究

周小松  
【摘要】:TiO_2具有廉价、无毒、高效等优点,是一种优异的光催化剂,目前被广泛应用于降解有机污染物、空气净化、气体敏化传感器和除雾剂等方面。然而,由于TiO_2具有较宽的能带隙(3.2 eV),只能利用太阳光中少量的紫外光部分(3-5%),在太阳光下效率很低。因此,将TiO_2吸收光谱拓宽到可见光区域具有重要意义,一直富有挑战性的课题。本论文采用非金属(B和N)掺杂对TiO_2进行改性,提高TiO_2在紫外光和可见光下的光催化活性;深入研究了B和N两种元素共掺杂的协同效应,考察了影响光催化效率的因素,并通过设计电化学方法测试光电流性能。具体的研究内容与创新点如下: (1)以钛酸异丙酯为原料通过水热法制备出B-TiO_2,然后在氨气气氛中不同温度下进行N掺杂,考察掺N温度对光催化活性及表面基团造成的影响。采用光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振谱(EPR)重点分析了B和N共掺杂后B,N-TiO_2的结构、表面各种元素化学态的变化情况。结果表明B和N两种元素以间隙型和取代型两种方式存在,揭示了Ti-O-B-N结构在可见光催化活性中起到至关重要的作用。B,N-TiO_2光催化活性随着掺氮温度的升高先增加后降低,最佳掺氮温度为550℃。提出了B,N-TiO_2的表面结构随掺氮温度演变的规律;指出高温掺氮导致更多的氧空穴和Ti3+,从而使得光催化活性降低。 (2)采用简单的水热方法,以TiN为原料,成功制备出锐钛矿N-TiO_2纳米片、B,N-TiO_2纳米棒和暴露{001}晶面锐钛矿单晶N-TiO_2纳米片。结果表明:(a)锐钛矿N-TiO_2纳米片呈双箭头状,长度约100 nm,宽约20 nm,该方法制备的锐钛矿N-TiO_2纳米片在模拟太阳光和可见光作用下,光催化活性明显优于N-P25。(b)B,N-TiO_2纳米棒的直径约为50-100 nm,长度达到几微米,结合扫描电镜图片,探讨了B,N-TiO_2纳米棒的生长机理。在可见光照射下,B,N-TiO_2纳米棒降解模拟有机污染物(甲基橙)活性显著大于N-TiO_2纳米棒,与光电流性能测试结果一致。(c)暴露{001}晶面锐钛矿单晶N-TiO_2纳米片形貌为去顶的金字塔型,顶边长约为180-200 nm,厚度为25-35 nm。所得样品暴露的{001}晶面面积约为69.7%,光电流强度为N-P25的3.2倍;发现暴露{001}晶面面积和尺寸大小可以通过水热反应温度来进行调控。 (3)采用阳极氧化法在含有BF——3的电解质溶液中成功制备出B-TiO_2纳米管(TNT)阵列,然后在氨气气氛中掺氮,制备出B和N共掺杂TiO_2纳米管(B,N-TNT)阵列。X-粉末衍射(XRD)分析认为B,N-TNT由锐钛矿和金红石混合晶型组成;光电子能谱(XPS)证实表面存在Ti-O-B-N结构。在可见光作用下,B,N-TNT光电化学性能和光催化降解橙Ⅱ活性,明显优异于B-TNT和N-TNT。B,N-TNT优异性能归因于锐钛矿和金红石混合晶型和B和N共掺杂引起的协同效应。 (4)采用阳极氧化法在Ti基上制备出TiO_2纳米管(TNT)阵列,然后采用电化学方法在TNT上沉积一层CN_x聚合物。结果表明,CN_x聚合物敏化明显促进了TNT可见光响应,CN_x聚合物修饰后,TNT的光电流增加了13.2倍,CN_x/TNT的光电转换效率(IPCE)约为4.6%。其高效的催化性能归因于两个方面:(a)CN_x共轭聚合物吸收可见光后提供的多重激发产生大量的光生电子;(b)CN_x和TiO_2之间的几何构型使得光生电子能够快速有效从CN_x共轭聚合物传递到Ti基上,比起传统的中空薄膜光电极更有利于减少光生电子与空穴的复合从而提高光电转换效率。这对于设计高效的可见光催化剂具有重要的指导意义。


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