非金属离子共掺杂二氧化钛薄膜光催化性能研究

论文摘要

二氧化钛因廉价、无毒、催化效率高、化学稳定性好等优点成为当前最具有开发前景的绿色环保催化剂之一。二氧化钛能够在紫外光的激发下产生光生空穴和光生电子,将空气中微量有机物降解成CO2、H2O和其他小分子,从而消除污染。然而TiO2在实际应用中存在一些缺陷,如其带隙较宽（Eg=3.2eV）,只有在入射光λ小于387.5nm的紫外光激发下价带电子才能跃迁到导带上形成光生电子和空穴,使有机物分解,而紫外光在自然光中仅占3%5%,因此对自然光的利用率不高。另外,光生电子和空穴的复合机率很高,如何降低电子和空穴的复合率,提高TiO2纳米粒子的光催化效率,是提高TiO2光催化剂催化效果的关键。为了弥补TiO2的上述缺陷,提高其光催化性能,并拓宽TiO2对光的吸收范围,需要对TiO2进行表面改性研究。本论文采取非金属离子共掺杂及表面掺杂技术制备纳米二氧化钛薄膜,并对其光催化性能进行研究。论文主要研究工作包括以下几个方面:（1） TiO2薄膜的制备及性能研究本研究采用改进的溶胶凝胶技术及焙烧工艺制备纳米二氧化钛薄膜。选取染料酸性品红为降解目标,分别考察非金属离子F-、B3+及S2-单掺对染料的降解情况,寻求其最佳掺杂浓度。在此基础上,研究F-B双掺及F-B-S三掺对有机染料的降解情况。实验结果表明:无论在紫外光还是可见光照射下,非金属离子共掺杂的光催化活性高于任何单独离子的掺杂,并且三掺的效果比双掺的效果更明显。经动力学研究表明,本文中不论是非金属共掺杂还是单掺TiO2 ,光催化降解反应均符合Langmuir-hinshelwood一级动力学方程。（2） TiO2复合薄膜的表征采用X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、荧光发射光谱仪（PL）、热重/差热分析（DSC/TGA）、氮气吸附-脱附仪（BET）等表征手段探索了非金属共掺杂TiO2的表面结构和光吸收行为,光催化剂的反应机理及共掺杂的反应机制。结果表明二氧化钛薄膜以锐钛矿晶型为主,但含有少量的金红石及板钛矿相,当掺杂非金属离子特别是共掺杂非金属离子后,金红石及板钛矿型减少了甚至完全消失;纯二氧化钛薄膜表面团聚现象比较严重,离子掺杂后的薄膜表面团聚现象减轻,形貌相对平整,粒径分布也比较均匀,并且具有介孔或微孔结构;掺杂后的二氧化钛比纯二氧化钛比表面积增大,孔径变小。（3）光催化的机理分析非金属掺杂可以显著提高光催化活性,共掺比单掺光催化效果更加明显,共掺体系中三掺离子的光催化效果比双掺更好。可能的机理是:掺杂后改变二氧化钛的带隙结构或缺陷状态,生成更多电子和空穴,并且减少光生电子和空穴的复合几率,提高光催化效果。改性后的二氧化钛的价带由非金属与氧杂化所决定,导带由Ti（3d）决定,但导带位置降低,使禁带宽度大幅度降低,非金属掺杂后的杂化能级更接近价带边缘。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 2 光催化剂的结构和性能'>1.2 TiO₂光催化剂的结构和性能
• 1.2.1 纳米Ti02 的结构
• 1.2.2 纳米Ti02 的性能
• 2 光催化剂的制备'>1.3 纳米TiO₂光催化剂的制备
• 2 光催化剂的光催化降解影响因素'>1.4 纳米TiO₂光催化剂的光催化降解影响因素
• 1.4.1 与Ti02 结构和性质有关的因素
• 1.4.2 与降解条件有关的因素
• 2 光催化剂的改性技术及应用'>1.5 纳米TiO₂光催化剂的改性技术及应用
• 1.5.1 掺杂改性
• 1.5.2 Ti02 光催化剂的应用进展
• 1.6 本课题研究的内容、意义和创新点
• 第二章 Ti02的制备和表征方法
• 2.1 实验试剂和主要仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2 胶体及薄膜的制备'>2.2 纳米TiO₂胶体及薄膜的制备
• 2.2.1 玻璃基体的预处理
• 2.2.2 前驱体胶体的制备
• 2.2.3 Ti02 薄膜的制备
• 2.2.4 Ti02 粉体及掺杂离子粉体的制备
• 2 胶体及薄膜的表征'>2.3 纳米TiO₂胶体及薄膜的表征
• 2.3.1 光催化降解率的测定
• 2.3.2 紫外-可见吸收光谱分析
• 2.3.3 物相分析
• 2.3.4 孔径分析
• 2.3.5 形貌观察
• 2.3.6 电子空穴分离度观察
• 2.4 本章小结
• 第三章 单掺杂Ti02的光催化活性
• 3.1 实验选用的有机染料
• 3.2 单独掺杂非金属离子S、F、B 的效果
• 3.2.1 单独掺杂S 的效果
• 3.2.2 单独掺杂B 的效果
• 3.2.3 单独掺杂F 的效果
• 3.3 本章小结
• 第四章 氟、硼共掺杂Ti02的性能研究
• 4.1 氟、硼共掺的光催化性能
• 4.1.1 氟、硼共掺降解酸性品红
• 4.1.2 氟、硼内外掺比较
• 4.1.3 动力学分析
• 4.2 氟、硼共掺的光吸收性能
• 4.3 氟、硼共掺样品的表征
• 4.3.1 样品的形貌表征
• 4.3.2 样品的物相表征
• 4.3.3 样品的比表面积分析
• 4.3.4 热重分析
• 4.4 氟、硼共掺杂的机理分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 硫、硼、氟三掺杂Ti02的性能研究
• 5.1 硫、硼、氟共掺的光催化性能
• 5.1.1 硫、硼、氟共掺降解酸性品红
• 5.1.2 硫、硼、氟共掺内外掺比较
• 5.1.3 动力学分析
• 5.2 硫、硼、氟共掺的光吸收性能
• 5.3 氟、硼、硫共掺样品的表征
• 5.3.1 样品的形貌表征
• 5.3.2 样品的物相表征
• 5.3.3 样品的比表面积分析
• 5.4 硫、硼、氟共掺杂的机理分析
• 5.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录