共掺杂TiO2纳米晶的制备及光催化性能研究

论文摘要

TiO2由于成本低、氧化能力强、化学性质稳定、无二次污染等优点而备受重视,是目前应用最广泛的纳米光催化材料之一,也是具有良好开发前景的绿色环保光催化材料。但是,较宽的带隙降低了其对太阳光的利用率。此外,较高的光生载流子复合率也是限制其应用的一个重要方面。研究表明,适度的金属或非金属元素掺杂可改善其光吸收性能、抑制光生载流子复合,是一种提高TiO2光催化性能的有效方法。本论文中,我们以钼、钇、锰、氮为掺杂元素,采用溶胶-凝胶法制备出一系列共掺杂TiO2光催化材料。采用X-射线衍射、激光拉曼、X-射线光电子能谱、紫外可见光吸收、以及光催化测试等对其晶体结构、电子结构、光学特性以及光催化特性进行了分析研究,取得了一些有意义的结果,如下:1.采用溶胶-凝胶法制得未掺杂TiO2、钼、氮单掺杂以及共掺杂的纳米晶TiO2。XRD及Raman结果表明所得样品均为锐钛矿型TiO2,粒径在12-15nm范围。由于元素掺杂改变了TiO2的能带结构,掺杂后的TiO2样品的光吸收性能均有明显提高。在光催化性能方面,由于氮掺杂引起样品的可见光活性,故氮掺杂样品光催化性能得到明显改善;但钼离子的引入造成样品光生载流子复合率的增加,使得共掺杂TiO2光催化性能随钼离子的掺杂量的增加而逐渐降低。2.采用溶胶-凝胶法制得未掺杂TiO2和钇、氮单掺杂及共掺杂的纳米晶TiO2。XRD及Raman结果表明所得样品均为锐钛矿型TiO2。粒径在12-16nm范围研究结果表明,钇、氮共掺杂不仅能够促使光生载流子分离而且能够拓展TiO2光吸收区域,对TiO2光催化起到了明显的协同增强效应,有效的提高了TiO2的光催化性能。3.采用溶胶-凝胶法制得未掺杂TiO2以及不同锰离子浓度掺杂的锰、氮共掺杂TiO2。XRD及Raman结果表明所得样品均为锐钛矿型TiO2,共掺杂TiO2粒径在13-16nm范围。由研究结果可知,锰、氮掺杂引起了样品的光吸收性能的改变,其原因可归结于锰离子掺杂产生的sp-d自旋交换相互作用以及氮离子的掺杂引起的能带结构变化。此外,由于掺杂引起的无序度增加,随着锰离子掺杂量的增加,在可见光区的光吸收强度不断增强。对不同锰掺杂量样品的光催化测试结果表明,由于掺杂后光生载流子复合率的增加,共掺杂TiO2光催化性能随锰掺杂量的增加而逐渐降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米光催化材料概述
• 1.2.1 光催化材料简介
• 1.2.2 纳米材料的基本性质
• 1.2.3 纳米光催化材料的应用
• 2半导体简介'>1.3 TiO₂半导体简介
• 2的晶体结构'>1.3.1 TiO₂的晶体结构
• 2的能带结构及光催化机理'>1.3.2 TiO₂的能带结构及光催化机理
• 2的能带结构'>1.3.2.1 TiO₂的能带结构
• 2的光催化机理'>1.3.2.2 TiO₂的光催化机理
• 2光催化材料的制备及改性研究'>1.4 TiO₂光催化材料的制备及改性研究
• 2光催化材料的制备'>1.4.1 TiO₂光催化材料的制备
• 2光催化材料的改性研究'>1.4.2 TiO₂光催化材料的改性研究
• 1.5 本论文工作的目的和意义
• 参考文献
• 2纳米材料的制备及光催化性能研究'>第二章 钼、氮共掺杂TiO₂纳米材料的制备及光催化性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 催化剂的制备
• 2.2.2 物性测试
• 2.2.3 光催化性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2的研究'>2.3.1 钼、氮掺杂TiO₂的研究
• 2.3.1.1 XRD 分析
• 2.3.1.2 Raman 分析
• 2.3.1.3 XPS 分析
• 2.3.1.4 UV-vis 光吸收性能分析
• 2.3.1.5 光催化性能分析
• 2影响的研究'>2.3.2 不同钼掺杂浓度对共掺杂TiO₂影响的研究
• 2.3.2.1 XRD 分析
• 2.3.2.2 UV-vis 光吸收性能分析
• 2.3.2.3 光催化性能分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 2纳米材料的制备及光催化性能研究'>第三章 钇、氮共掺杂TiO₂纳米材料的制备及光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 样品的制备
• 3.2.2 物性测试
• 3.2.3 光催化性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 XRD 分析
• 3.3.2 Raman 分析
• 3.3.3 XPS 分析
• 3.3.4 UV-vis 光吸收性能分析
• 3.3.5 光催化性能分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2纳米材料的制备及光催化性能研究'>第四章 锰、氮共掺杂TiO₂纳米材料的制备及光催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 样品的制备
• 4.2.2 物性测试
• 4.2.3 光催化性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD 分析
• 4.3.2 Raman 分析
• 4.3.3 UV-vis 光吸收性能分析
• 4.3.4 光催化性能分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 硕士期间完成的论文
• 致谢