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超细掺杂TiO_2的制备及其光催化性能的研究

作　者: 杨鹏飞
导　师: 徐顺
学　校: 郑州大学
专　业: 物理化学
关键词: 光催化性能掺杂效应离子半径中间价态光催化活性光催化剂主族金属杂质离子微乳液法高价态离子
分类号: TQ426
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文以TiCl₃溶液为原料，利用微乳液法制备超细TiO₂及超细掺杂TiO₂光催化剂，并以甲基橙作为光催化实验的目标降解物。首先结合光催化分析的结果，详细研究了制备方法、不同表面活性剂、烧结温度、烧结时间、催化剂用量、超声波处理以及预搅拌时间等因素对TiO₂光催化活性的影响，从而确定了以CTAB作为表面活性剂的微乳液法制备的前驱体在600℃温度下烧结2个小时获得的TiO₂光催化剂具有更好的活性，以此作为制备方法制得了各种掺杂TiO₂光催化剂，并通过XRD分析了解到这种方法所制备的TiO₂为锐态矿晶型，尺寸在20nm左右。本文重点研究了TiO₂掺杂Fe³⁺、Ru³⁺、Zn²⁺等十四种过渡金属离子和Mg²⁺、Al³⁺、Sn⁴⁺等五种主族金属元素后，其光催化活性的变化规律。发现Fe³⁺，Ru³⁺等过渡金属元素有正的掺杂效应，其中掺入Fe³⁺将TiO₂的活性提高了将近50％。而大部分稀土金属离子、主族金属元素只有负掺杂效应。并总结出掺杂金属元素从“离子半径”、“离子化合价”、“离子的氧化还原能级”等三个方面作出了对金属离子掺杂效应的贡献：金属离子半径与Ti⁴⁺离子半径相近，将有利于离子均匀掺入TiO₂晶格中，而这是离子产生掺杂效应的前提。第四周期元素离子半径与Ti⁴⁺半径接近，如Co²⁺，Ni²⁺等，因此能产生正的掺杂效应。另一方面，研究发现象Fe³⁺、Co²⁺等中间价态的离子比Cu²⁺、Sn⁴⁺等高价离子有更好的掺杂活性，这可能是因为中间价态的离子可以充当电子捕获中心与空穴捕获中心的双重角色，而高价态离子只能充当一种角色。还有，对于中间价态的离子，如果其氧化还原能级与TiO₂的禁带宽度相匹配，则能显示出很高的活性，而有较大差别时，则活性降低。其中Fe³⁺的氧化电位Fe^3+/4+与TiO₂的价带接近，还原电位Fe^2+/3+与导带接近，因此Fe³⁺有很好的掺杂效应。而对于Ru³⁺，虽然Ru^3+/4+接近TiO₂导带，但Ru^2+/3+与TiO₂价带差别较大，因此活性没有掺Fe³⁺的高。最后尝试性地以Fe³⁺和La³⁺为杂质离子，研究了TiO₂掺杂两种（或以上）离子后的光催化规律，认为杂质离子的混掺效应是两种离子单掺效应的平均。通过对混掺的研究，提供了一个TiO₂掺杂光催化研究中的研究方向-------多种离子掺杂TiO₂的光催化活性研究。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-5
第一章前言  5-19
第二章实验内容  19-20
第三章研究内容  20-48
  第一节超细TiO_2制备及光催化实验条件的选择  20-34
    3．1．1 光催化条件的选择  20-27
    3．1．2 制备条件的选择  27-30
    3．1．3 XRD表征  30-31
    3．1．4 小结  31-34
  第二节超细掺杂TiO_2光催化性能的研究  34-48
    3．2．1 不同掺杂比例的TiO_2光催化剂的制备及19种掺杂光催化剂的掺杂曲线  34-39
    3．2．2 结果的讨论  39-45
    3．2．3 红外光谱表征  45-47
    3．2．4 小结  47-48
第四章掺杂多种离子TiO_2光催化性能的研究  48-50
第五章结论  50-51
参考文献  51-52
致谢  52

超细掺杂TiO_2的制备及其光催化性能的研究

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