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(yáng)能和解決環(huán)境污染問(wèn)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(qiáng)氧化性、無(wú)毒和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(yáng)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(lái)，世界各國(guó)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(lái)提高TiO2光催化效率和對(duì)太陽(yáng)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(diǎn)，同時(shí)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(gè)方面對(duì)TiO2進(jìn)行了改性，通過(guò)多種表征手段和先進(jìn)的光催化活性測(cè)試技術(shù)對(duì)摻雜后的介孔TiO2光催化劑進(jìn)行了一些研究。同時(shí)對(duì)影響TiO2光催化劑的

3、活性因素和制約條件進(jìn)行了探討，為高活性的TiO2光催化劑在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)的支持。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，取得了一些創(chuàng)新性成果，結(jié)果如下： 1.在沒(méi)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(jìn)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?yàn)槌曀夥椒ㄖ苽涞臉悠肪哂懈叩谋缺砻娣e、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(yàn)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(shí)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(guò)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(qiáng)于商用P25的吸收光子的特性，且使TiO2對(duì)光的響應(yīng)吸收邊拓寬到可見(jiàn)光的范圍。熱處理溫度為500℃時(shí)，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(jiàn)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?yàn)閾诫s后的TiO2的吸收光子能力強(qiáng)、對(duì)光吸收的響應(yīng)范圍寬、晶化程度好，同時(shí)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(guò)簡(jiǎn)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(duì)紫外-可見(jiàn)光都有很強(qiáng)的吸收，且使摻雜的TiO2對(duì)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(shí)，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?yàn)閾诫s后的TiO2具有強(qiáng)的吸收紫外-可見(jiàn)光的能力、對(duì)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(jiàn)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(guò)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(qiáng)的吸收可見(jiàn)光光子的特性，且使摻雜后的TiO2對(duì)光子的響應(yīng)吸收邊拓寬到可見(jiàn)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(shí)，可見(jiàn)光活性達(dá)到最大值，約為P25活性的三倍多。 5.通過(guò)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～