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稀土掺杂二氧化钛的制备与抗菌性能研究

王富平  
【摘要】: 纳米二氧化钛因其具有的纳米特性而被应用到医学早期诊断和治疗中;作为一种生物安全性,相容性良好,可有效改善一些生物材料的界面问题,已被广泛用于改善传统生物材料相容性的研究;作为一种杀菌彻底和长效抗菌的抗菌材料而被广泛应用于传统生物材料抗菌、医疗器械表面抗菌和卫生保健,以及日常生活息息相关相关的厨具,卫生设施、家用电器、建筑材料、高速公路设施等方面。 二氧化钛作为保健型抗菌材料同时具有抗菌、净化空气的功能,又具有无毒、无味、无刺激性、耐热性能好、化学性质稳定,成本低的特点,但是不可否认的是TiO_2的也存在自身的问题,主要是光催化活性不高。 金属离子掺杂可以有效的提高TiO_2光催化活性,目前,有学者用1种方法制备1-3种稀土元素掺杂,或在制备不同方法条件下制备的稀土掺杂二氧化钛,在不同评价体系下所得到的结果,不具有比较性。本研究工作主要是在前期研究的基础之上,用共沉淀法和溶胶凝胶法对镧系7种稀土元素掺杂二氧化钛进行比较研究。包括:以罗丹明B为模型有机物,评价光催化活性;测定吸附能力;并对活性较高的稀土掺杂二氧化钛进行了XRD,XPS,BET,SEM表征;最后对稀土掺杂二氧化钛进行了抑菌鉴定。 本论文研究工作结论如下: 1、共沉淀制备的稀土掺杂二氧化钛的光催化活性明显高于溶胶凝胶法,分析原因是: 1)两种方法制备的稀土掺杂二氧化钛都具有混合晶体结构,但其主要催化作用的锐钛矿在共沉淀法制备的材料中含量较多,其中COP1.0wt% Gd-TiO_2-800比SG1.0wt%Gd-TiO_2-600的锐钛矿相含量分别为87%和79%,且共沉淀法制备的材料的晶体粒径大于溶胶-凝胶法的,分别为40.3nm和26.9nm(XRD分析); 2)溶胶-凝胶法制备的稀土掺杂二氧化钛表面存在前驱体引入的C元素可能是导致光催化活性下降的主要原因(XPS); 3)共沉淀法制备的稀土掺杂二氧化钛具有75%的介孔(2~50nm)和25%的大孔(50nm)结构,溶胶-凝胶法制备的材料只有介孔结构,而大孔有利于光能和反应物进出催化剂粒子内部(BET)。 4)许多COP1.0wt.%Gd-TiO_2-800粒子呈球形或椭圆形,比较松散。相比而言,SG1.0 wt.%Gd-TiO_2-600样品粒子为薄片状或矩形,比较致密(SEM)。 2、14种材料中以共沉淀法制备的Gd-TiO_2的催化活性最高(表观反应速率常数为0.032min~(-1)),主要的原因可能是钆的7f电子层是半充满状态。当钆离子捕获电子后,半充满的电子形态被破坏,其稳定性下降,被捕获的电子容易转移到吸附在催化剂表面的氧分子,钆离子返回到原来的稳定半满电子结构,这个过程中,电子被传递,有效抑制了电子空穴的复合,提高了二氧化钛的光催化活性(活性评价)。 3、溶胶凝胶法制备的同一稀土元素掺杂二氧化钛的饱和吸附能力大于共沉淀法,主要是由于溶胶凝胶法制备稀土掺杂二氧化钛的比表面积是共沉淀法的2.35倍(SG1.0 wt.% Gd- TiO_2-600:36.9m~2/g,COP1.0wt.% Gd-TiO_2-800:14.8 m~2/g)(BET测定),同时也说明材料吸附能力的大小不是活性大小决定因素。 4、两种方法制备的稀土掺杂二氧化钛表面O/Ti原子比稍大于2(平均为2.02),氧含量较高的原因可能是该催化剂表面上存在Gd2O3(XPS)。 5、稀土掺杂TiO_2具有较为明显的抗菌性能,且共沉淀法制备的稀土掺杂二氧化钛抑菌圈明显大于溶胶凝胶法,共沉淀法中以Gd、Yb、Sm抗菌活性最高,这与光催化评价结果相似。


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