非金屬摻雜TiO-,2-納米管的制備及其光電催化性能研究.pdf

1、納米TiO2對(duì)諸多環(huán)境污染物有顯著的光催化降解作用，光催化已發(fā)展成為新型的環(huán)境污染治理技術(shù)。作為光催化技術(shù)的核心，提高TiO2的光催化活性和對(duì)太陽光的利用率是當(dāng)前光催化研究中最重要的研究課題。研究報(bào)道證實(shí)，光電催化技術(shù)能有效提高TiO2光催化活性，非金屬摻雜則能提高其可見光利用率。 本文在草酸+NH4F電解液體系中對(duì)Ti進(jìn)行陽極氧化制備了TiO2納米管。研究發(fā)現(xiàn)納米管長度取決于孔底的電化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)溶解速率之間的平衡。當(dāng)氧

2、化電壓為20 V、pH=4.9、氧化時(shí)間2 h時(shí)制備的納米管形貌非常清晰。 為提高TiO2納米管的可見光活性，采用CVD法對(duì)TiO2納米管進(jìn)行了F、B一元和二元摻雜。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：(1)F摻雜將TiO2的吸收帶邊拓展至419 nm，光電催化協(xié)同因子為2.09。(2)B摻雜將TiO2的吸收帶邊拓展至444 nm，光電催化的協(xié)同因子為1.45。B-TiO2納米管可多次重復(fù)使用。(3)F、B共摻雜TiO2在紫外光區(qū)的吸收峰強(qiáng)度大大增加，

3、且在可見光區(qū)400-600 nm出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰。F摻雜在TiO2表面產(chǎn)生氧空穴，增加表面酸度和Ti3+濃度，B摻雜在TiO2表面產(chǎn)生氧空穴并增加表面酸度，因而F、B共摻雜具有協(xié)同效應(yīng)，能促使光生載流子分離，加速可見光催化反應(yīng)。 運(yùn)用第一性原理的密度泛函理論對(duì)F、B共摻雜銳鈦礦TiO2的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)摻雜后導(dǎo)帶主要由F、B原子2p軌道和Ti原子3d軌道上的電子共同構(gòu)成。B原子2p軌道與Ti原子3d軌道上的電子在導(dǎo)帶區(qū)發(fā)生

4、強(qiáng)烈的相互關(guān)聯(lián)作用，導(dǎo)致Ti原子3d軌道上的電子向B原子2p軌道移動(dòng)，致使整個(gè)導(dǎo)帶向費(fèi)米能級(jí)附近移動(dòng)，從而使TiO2的禁帶寬度變窄，導(dǎo)致紅移現(xiàn)象出現(xiàn)。 采用GC-MS分析了MO降解過程中的中間產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)MO的主要降解途徑是偶氮鍵被·OH直接打開，繼之發(fā)生C-N 鍵的均解和苯環(huán)的自由基取代，產(chǎn)生酚類、對(duì)苯醌；對(duì)苯醌開環(huán)后生成羧酸類。研究了TiO2納米管光電催化反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)模型，該模型的理論曲線與試驗(yàn)值較為接近，適用于本研究采用