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Fe/Mo/V单掺杂及共掺杂对TiO2光催化性能的影响

作　者: 郭俊博
导　师: 甘章华
学　校: 武汉科技大学
专　业: 材料学
关键词: TiO2 光生电子和空穴 光吸收 光催化
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 23次
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内容摘要


TiO2具有特殊的电子能带结构以及廉价、无毒、物理化学性质稳定和光催化活性高等一系列优良特性，是一种理想的半导体光催化材料，在能源、环保等领域具有广阔的应用前景。但是其较低的太阳光利用率和量子效率等问题阻碍了TiO2在实际生产生活中的应用和推广。本文采用过渡金属掺杂的手段对TiO2进行改性研究，利用溶胶凝胶法制备了纯的以及不同浓度过渡金属（Fe/Mo/V）单掺杂及共掺杂的TiO2锐钛矿纳米粉末，并分别采用X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、光致发光光谱（PL谱）、紫外可见漫反射谱等手段进行了表征。通过在可见光下光催化降解亚甲基蓝染料溶液来测试其光催化性能，并利用第一性原理计算方法进行了相关的理论分析。结果表明：选择合适的Fe/Mo/V掺杂浓度能够提高TiO2的光吸收性能和光催化活性；Fe的最佳掺杂浓度在0.5%—1.0%左右；V的最佳掺杂浓度为0.5%左右；经3小时可见光照射之后，1.0%Mo-TiO2的光催化降解率达到61%；与Fe单掺杂相比，Fe-Mo电荷不完全补偿共掺杂能够进一步提高TiO2光吸收和光催化性能，在Fe掺杂TiO2样品中再掺入少量的Mo能够在提高光催化活性的同时而不失去其自身的光催化特性；Fe-V电荷完全补偿共掺杂并不能提高TiO2的可见光催化活性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-19
  1.1 引言  8
  1.2 TiO_2晶体结构  8-9
  1.3 半导体 TiO_2光催化机理  9-12
    1.3.1 半导体能带理论  9-10
    1.3.2 TiO_2光催化反应原理  10-12
  1.4 影响 TiO_2光催化活性的因素  12-13
    1.4.1 晶粒大小与比表面积  12
    1.4.2 晶体结构  12
    1.4.3 PH 值  12-13
  1.5 TiO_2的应用前景  13-14
    1.5.1 光催化制氢和太阳能电池  13
    1.5.2 污水处理  13
    1.5.3 自洁净  13
    1.5.4 空气净化  13-14
  1.6 TiO_2光催化材料面临的问题  14
  1.7 TiO_2光催化改性研究  14-18
    1.7.1 半导体复合  15
    1.7.2 贵金属沉积  15-16
    1.7.3 表面光敏化  16-17
    1.7.4 离子掺杂  17-18
  1.8 本课题的研究内容和意义  18-19
第二章 样品的制备与表征手段及第一性原理计算方法  19-28
  2.1 溶胶凝胶法制备样品  19-20
  2.2 样品分析测试方法  20-25
    2.2.1 X 射线衍射（XRD)  20-21
    2.2.2 透射电子显微镜(TEM)  21-22
    2.2.3 X 射线光电子能谱（XPS)  22-23
    2.2.4 光致发光光谱（PL 谱）  23
    2.2.5 紫外可见漫反射光谱  23-24
    2.2.6 光催化降解实验  24-25
  2.3 第一性原理计算方法  25-28
第三章 Mo 单掺杂对 TiO_2光催化性能的影响  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 样品制备  28-29
  3.3 实验结果与讨论  29-37
    3.3.1 晶体结构与形貌  29-30
    3.3.2 Mo 元素的化学状态  30-31
    3.3.3 Mo 掺杂 TiO_2的光吸收性能分析  31-32
    3.3.4 Mo 掺杂 TiO_2的光催化性能分析  32-34
    3.3.5 Mo 掺杂对 TiO_2电子能带结构的影响  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 Fe 单掺杂及 Fe-Mo 共掺杂对 TiO_2光催化性能的影响  38-51
  4.1 引言  38
  4.2 样品制备  38-39
  4.3 结果与讨论  39-50
    4.3.1 晶体结构与形貌  39-40
    4.3.2 掺入的 Fe 和 Mo 的化学状态  40-42
    4.3.3 Fe 掺杂 TiO_2光吸收和光催化性能分析  42-44
    4.3.4 Fe-Mo 共掺杂 TiO_2光吸收和光催化性能分析  44-47
    4.3.5 Fe-Mo 共掺杂对光生电子和空穴复合的影响  47-48
    4.3.6 Fe 掺杂及 Fe-Mo 共掺杂对 TiO_2电子能带结构的影响  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章 V 单掺杂及 Fe-V 共掺杂对 TiO_2光催化性能的影响  51-61
  5.1 引言  51
  5.2 样品制备  51-52
  5.3 结果与讨论  52-60
    5.3.1 晶体结构  52-53
    5.3.2 掺入的 Fe 和 V 的化学状态  53
    5.3.3 V 掺杂 TiO_2光吸收及光催化性能分析  53-55
    5.3.4 Fe-V 共掺杂 TiO_2的光吸收和光催化性能分析  55-56
    5.3.5 V 单掺杂以及 Fe-V 共掺杂对光生电子和空穴复合的影响  56-58
    5.3.6 V 单掺杂及 Fe-V 共掺杂对 TiO_2电子能带结构的影响  58-60
  5.4 本章小结  60-61
第六章 结论  61-62
参考文献  62-68
攻读硕士学位期间发表和完成的论文  68-69
致谢  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族金属元素及其化合物 > 钛副族（ⅣB族金属元素） > 钛Ti
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