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掺镨二氧化钛粉末的制备、表征及光电化学研究

董静  
【摘要】:本文致力于稀土镨掺杂纳米TiO_2光催化剂的改性研究。采用传统的溶胶-凝胶法制备了均匀掺镨二氧化钛粉末(x%Pr-TiO_2);另外,将均匀掺镨二氧化钛粉末投入到纯TiO_2溶胶中,经风干、煅烧后,制得高活性8TiO_2/x%Pr-TiO_2(8代表TiO_2与x%Pr-TiO_2的质量比)非均匀光催化剂。在紫外光照射下,以5mg/L的甲基橙溶液为目标降解物,研究了掺杂方式、Pr离子浓度对样品光催化活性的影响。通过XPS、BET、UV-Vis漫反射、XRD、TEM、FS等分析手段对催化剂的晶体结构、光吸收吸能、比表面积和表面形貌等进行了表征。通过测定掺杂不同镨离子浓度的Pr-TiO_2电极在不同偏压下的交流阻抗图,考察掺镨后二氧化钛电极的平带电势和载流子浓度的变化,并以此探讨样品光催化活性改变的原因。结果表明: (1)采用均匀掺杂方式制备的x%Pr-TiO_2光催化剂的催化活性的提升效果不理想,当掺杂量较低时,随着掺杂量的增加,TiO_2的催化活性逐步提升;当掺杂浓度达到一定量后,继续增大掺杂量,催化剂的活性反而下降。采用非均匀掺杂方式制备的8TiO_2/x%Pr-TiO_2催化剂,光催化活性明显提高。非均匀掺杂中8TiO_2/0.05%Pr-TiO_2(8为TiO_2与Pr-TiO_2的质量比,0.05%表示Pr~(3+)与Ti的摩尔比),表现出最优的催化活性,是纯纳米TiO_2催化活性的3.6倍。 (2)无论是均匀掺杂还是非均匀掺杂的样品,对紫外光的吸收都有不同程度的红移现象,紫外光的吸收增强。 (3) XRD图谱结果显示:经过450℃下制备的样品均为锐钛矿型,同时并未发现含镨化合物相。 (4)样品的XPS测试表明催化剂主要由Ti,C和O组成。其中O1s由529.6和531.4ev的两个峰叠加而成。XPS测试并未发现镨峰,可能是因为浓度过低未能检出。 (5) FS结果可以看出,随着掺杂离子浓度的增加,催化剂的荧光强度不断降低。另外,采取不同掺杂方式、掺杂浓度得到的掺镨TiO_2的荧光峰的位置基本一致。 (6)所有的氮吸附–脱附曲线都属于Ⅳ型等温线,两种掺杂方式制备的催化剂的比表面积与纯样品相比较,增加了10-30%。孔的直径范围为3-11nm,平均孔径为4.5-8nm。 (7)施加不同偏压,测定掺杂不同镨离子浓度的Pr-TiO_2电极的交流阻抗图,从而得到随外加偏压改变而变化的半导体空间电荷层的电容值。采用Mott-Schottky作图法(即由Csc-2对V作图),进而求得Pr-TiO_2电极的平带电势Vfb和载流子浓度ND,并以此探讨催化剂光催化活性改变的原因。


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