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Ce~（3+）/F~-/TiO_2和F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化性能研究

作　者: 王建军
导　师: 章少华
学　校: 南昌大学
专　业: 材料物理化学
关键词: 二氧化钛纳米线光催化性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

以TiO2为代表的半导体光催化技术能在常温下利用太阳光分解污染物,是一种具有广阔应用前景的治污新技术。但是TiO2禁带宽度大(3.2eV),只能利用太阳光中的紫外线部分,而紫外线部分仅占太阳光的3-4%。所以TiO2光催化剂在实际中难以得到大规模的推广和应用。通过引入非金属元素和稀土元素离子对TiO2进行掺杂改性,可以有效拓展TiO2光谱响应范围并提高光催化效率。本实验选择稀土元素钕和铈以及非金属元素氮、氟和二氧化硅,采用溶胶-电泳法制备了多种不同组合掺杂的TiO2纳米线光催化剂。并以甲基橙为反应物,考察了各种光催化剂在紫外光照射下的催化性能,由实验可知铈元素和氟元素共掺杂以及二氧化硅和氟元素共掺杂的光催化剂均具有优良的光催化性能。通过采用紫外-可见漫反射(Uv-Vis)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜等(SEM)对制得的TiO2纳米线进行表征,并研究Ce3+/F-/TiO2纳米线光催化剂和F-/SiO2/TiO2纳米线光催化剂的光催化性能。结果表明:制备的Ce3+/F-/TiO2光催化剂对可见光的吸收边发生红移。光催化剂平均粒径为4.6nm,均匀分散,晶相为锐钛矿和金红石共存。氟掺杂使TiO2在可见光也可以被激发,提高了催化剂的光催化性能。铈掺杂则主要起到抑制催化剂颗粒增长、增加空穴捕获的途径、降低光生电子和空穴复合的速率的作用。所制备的F-/SiO2/TiO2纳米线光催化剂粒径约为10nm,晶相为锐钛矿相和金红石相共存。SiO2的掺入使得TiO2晶型结构稳定,晶粒变小并在基质中高度分散。F离子的掺入能够有效的减小晶粒的粒径,达到提高光催化效率的目的。制备条件对光催化剂的性能有较大影响。本实验的目标反应物为甲基橙溶液,对Ce3+/F-/TiO2纳米线光催化剂和F/SiO2/TiO2纳米线光催化剂的焙烧温度、焙烧时间和掺杂浓度等制备条件进行了研究。结果表明：Ce3+/F-/TiO2纳米线光催化剂最佳制备条件为铈掺杂量0.4mol%,500℃焙烧2h。所得的光催化制在反应1h后对甲基橙的降解率达到95%以上。而F/SiO2/TiO2光催化剂制备条件为SiO2掺杂浓度为2mol%,500℃焙烧2.5h。所得的催化制在反应45min后对甲基橙的降解率达到95%左右。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章引言  9-26
  1.1 绪论  9-10
  1.2 TiO_2一维纳米阵列体系  10-16
    1.2.1 TiO_2纳米线阵列的形成机理  11-13
    1.2.2 制备TiO_2一维纳米结构的方法  13-16
    1.2.3 电化学阳极氧化法制备TiO_2一维纳米结构  16
  1.3 TiO_2光催化反应机理  16-18
    1.3.1 TiO_2在紫外光照射下的光催化降解机制  17
    1.3.2 TiO_2在可见光照射下的光催化降解机制  17-18
  1.4 影响TiO_2光催化反应的因素  18-20
    1.4.1 TiO_2晶型对光催化性能的影响  18-19
    1.4.2 TiO_2晶粒尺寸对光催化性能的影响  19
    1.4.3 TiO_2表面特性对光催化性能的影响  19-20
    1.4.4 其他影响因素对光催化性能的影响  20
  1.5 TiO_2光催化当前存在的一些问题  20-21
  1.6 TiO_2光催化的改性技术  21-23
    1.6.1 金属离子(过渡族元素离子)掺杂改性TiO_2  21
    1.6.2 非金属离子掺杂改性TiO_2  21
    1.6.3 贵金属沉积改性TiO_2  21-22
    1.6.4 复合半导体改性TiO_2  22
    1.6.5 表面氧化-还原处理改性TiO_2  22
    1.6.6 光敏化作用改性TiO_2  22
    1.6.7 表面无机酸处理改性TiO_2  22-23
  1.7 TiO_2光催化剂在环境保护方面的应用  23-24
    1.7.1 处理工业废水  23-24
    1.7.2 光催化自洁净作用  24
    1.7.3 杀菌作用  24
  1.8 主要研究内容和创新性  24-26
第2章实验部分  26-32
  2.1 实验试剂与仪器  26-27
  2.2 实验过程及方法  27-30
    2.2.1 多孔氧化铝模板的制备  27-28
    2.2.2 溶胶-电泳法制备TiO_2纳米线  28-29
    2.2.3 光催化剂的制备  29-30
  2.3 表征方法与性能测试  30-32
    2.3.1 表征方法  30
    2.3.2 光催化性能测试  30-32
第3章多孔氧化铝模板的制备工艺对光催化性能的影响  32-35
  3.1 阳极氧化电压对光催化性能的影响  32
  3.2 阳极氧化时间对光催化性能的影响  32-33
  3.3 电解液的种类对光催化性能的影响  33-34
  3.4 本章小结  34-35
第4章 Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线的光催化性能及其表征  35-43
  4.1 稀土-非金属元素掺杂二氧化钛纳米线光催化剂的优选  35-36
  4.2 Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线光催化剂工艺性能的研究  36-39
    4.2.1 不同煅烧温度对Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  36
    4.2.2 不同煅烧时间对Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  36-37
    4.2.3 不同铈离子掺杂量对Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  37-38
    4.2.4 Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线光催化剂在紫外灯下的老化性能  38-39
  4.3 Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线的XRD表征  39-40
  4.4 Ce~(3+)/F~-/TiO_2纳米线的SEM表征  40-41
  4.5 Ce~(3+)/F~-/TiO_2薄膜的紫外-可见光谱  41-42
  4.6 本章小结  42-43
第5章 F~-/SiO_2/TiO_2纳米线的光催化性能及其表征  43-50
  5.1 SiO_2掺杂TiO_2纳米线光催化剂的优选  43-44
  5.2 F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化剂工艺性能的研究  44-47
    5.2.1 不同煅烧温度对F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  44
    5.2.2 不同煅烧时间对F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  44-45
    5.2.3 不同SiO_2掺杂量对F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化剂活性的影响  45-46
    5.2.4 F~-/SiO_2/TiO_2纳米线光催化剂在紫外灯下的老化性能  46-47
  5.3 F~-/SiO_2/TiO_2纳米线的XRD表征  47-48
  5.4 F~-/SiO_2/TiO_2纳米线的SEM表征  48
  5.5 本章小结  48-50
第6章结论  50-51
致谢  51-52
参考文献  52-55
攻读学位期间的研究成果  55

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