介孔二氧化鈦光催化劑的制備、表征及性能研究.pdf

1、半導(dǎo)體光催化技術(shù)在利用太陽能和解決環(huán)境污染問題方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在眾多的氧化物半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2以其光誘導(dǎo)下的強氧化性、無毒和長期穩(wěn)定性等優(yōu)點在凈化環(huán)境方面表現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。但是，純TiO2塊體光催化材料的光生電子-空穴對復(fù)合幾率較高；另一方面，銳鈦礦相TiO2的禁帶寬度較寬，僅能在紫外光(λ＜387nm)的輻照下產(chǎn)生光催化作用，加上太陽光中紫外光的比例大約為4％，這就嚴(yán)重阻礙了TiO2光催化材料的推廣應(yīng)用。近十幾年

2、來，世界各國的科技工作者一直在努力地探索多種制備方法和改性手段來提高TiO2光催化效率和對太陽光的利用率。其中在TiO2中摻雜是目前制備高活性的TiO2光催化劑最為活躍的領(lǐng)域之一。 為了解決塊體TiO2光催化劑的光催化效率低的特點，同時探索它在環(huán)境凈化方面的應(yīng)用。本論文從制備方法和摻雜兩個方面對TiO2進行了改性，通過多種表征手段和先進的光催化活性測試技術(shù)對摻雜后的介孔TiO2光催化劑進行了一些研究。同時對影響TiO2光催化劑的

3、活性因素和制約條件進行了探討，為高活性的TiO2光催化劑在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用提供了理論和實驗的支持。通過大量實驗，取得了一些創(chuàng)新性成果，結(jié)果如下： 1.在沒有任何表面活性劑作為模板劑的條件下，用超聲水解方法在低溫下制備了高活性的介孔納晶TiO2粉體光催化劑。超聲促進了Ti(OC4H9)4的水解，加快了TiO2粉體的晶化及介孔的形成。所有用超聲水解方法制備的介孔納晶TiO2粉體光催化劑的光催化活性高于商用的P25和用常規(guī)水解方法制備

4、的TiO2粉體光催化劑。這主要是因為超聲水解方法制備的樣品具有高的比表面積、小的晶粒尺寸和兩相(銳鈦礦和板鈦礦)結(jié)構(gòu)。在光催化降解甲醛和丙酮的試驗中，由于甲醛分子含有較少的碳原子和空間位阻，所以更容易降解。 2.用原位濕化學(xué)沉淀和熱處理兩種方法的配合制備了高活性的介孔納晶N、S共摻雜的TiO2粉體光催化劑。當(dāng)熱處理溫度為400～700℃時得到的摻雜的TiO2光催化劑具有很好的光催化活性，且明顯優(yōu)于商用P25。N、S摻雜通過N2p

5、軌道、S3p軌道和O2p軌道間的雜化，降低了摻雜后TiO2粉體光催化劑的禁帶寬度。導(dǎo)致了摻雜的TiO2具有強于商用P25的吸收光子的特性，且使TiO2對光的響應(yīng)吸收邊拓寬到可見光的范圍。熱處理溫度為500℃時，摻雜后的TiO2在紫外光照射下降解丙酮的活性是商用P25的3倍多；在可見光的照射下降解甲醛的活性是商用P25的10倍多。這種高活性是因為摻雜后的TiO2的吸收光子能力強、對光吸收的響應(yīng)范圍寬、晶化程度好，同時具有大的比表面積和混相

6、結(jié)構(gòu)(純的TiO2相和N、S共摻雜的TiO2相)。 3.高光催化活性的介孔納晶鐵摻雜TiO2光催化劑通過簡單的超聲水解方法(在硝酸鐵的水溶液中超聲水解鈦酸丁酯)制得。鐵摻雜TiO2對紫外-可見光都有很強的吸收，且使摻雜的TiO2對光子的吸收帶邊移到紅外區(qū)。少量Fe3+離子摻雜能夠明顯提高TiO2的光催化活性。在最適宜的摻雜濃度下(鐵鈦原子百分比為0.25％)，熱處理溫度為400℃時，所得摻雜TiO2的光催化活性是商用Deguss

7、aP25的2倍多。這種高活性是因為摻雜后的TiO2具有強的吸收紫外-可見光的能力、對光子吸收帶邊的紅移、大的比表面積(小的晶粒尺寸)和鐵離子摻雜等原因引起。 4.用硫脲和鈦酸丁酯為前驅(qū)物，采用熱處理的方法制備了高可見光活性的三元共摻雜的納晶介孔TiO2粉體光催化劑。前驅(qū)物中硫脲的含量影響著熱處理后摻雜樣品的結(jié)晶程度和晶粒尺寸。C、N、S共摻雜通過C2p、N2p、S3p軌道和O2p軌道間的雜化，降低了摻雜后TiO2粉體光催化劑的禁

8、帶寬度。導(dǎo)致了摻雜的TiO2具有強的吸收可見光光子的特性，且使摻雜后的TiO2對光子的響應(yīng)吸收邊拓寬到可見光的范圍。當(dāng)前驅(qū)物中新制的TiO2粉末和硫脲(CS(NH2)2)的摩爾比為3∶1時，可見光活性達(dá)到最大值，約為P25活性的三倍多。 5.通過溶膠-凝膠法的提拉鍍膜技術(shù)制得了多孔的鐵摻雜TiO2薄膜(在前驅(qū)物中加入PEG和一定濃度的硝酸鐵溶液)。鐵離子摻雜可以明顯的改善TiO2薄膜的光誘導(dǎo)超親水性。摻雜量(RFe)為0.05～