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金属离子掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究

刘秀华

   为了解决二氧化钛应用中太阳能利用效率低和光量子利用效率低的技术难题,人们通过金属元素掺杂等手段对TiO_2进行改性研究。掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度,影响电子与空穴的复合或拓展光的吸收波段,从而提高TiO_2的光催化活性。但是目前金属元素的掺杂,大都仅注重研究个别离子掺杂后TiO_2催化剂的光催化氧化性能,没有系统地对多种不同元素掺杂后TiO_2的性能进行全面的比较,对掺杂体系吸收光谱拓展方面的研究还很少,对改性机制的认识也是众说纷纭。 本文采用溶胶-凝胶法制备了第四周期过渡金属离子和第Ⅷ族贵金属元素掺杂的纳米TiO_2粉末和TiO_2薄膜光催化剂,利用XPS、UV-Vis、XRD、TEM、BET等多种手段对掺杂前后粉末和薄膜的各方面性能进行了表征,首次系统全面地研究了V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Pt、Au、Rh、Pd、Ag、Ru等十四种元素在相同条件下掺杂于纳米TiO_2光催化剂后催化剂的晶型、晶粒尺寸、比表面积、晶胞参数、紫外可见吸收光谱和光催化活性等方面的变化规律。 本实验制备的光催化剂的粒子均为圆形颗粒,分散性好,颗粒和晶粒尺寸都比较小。焙烧温度为773 K时,复合纳米TiO_2粉末和薄膜中的TiO_2均以锐钛矿结构存在,晶粒尺寸在10~25 nm之间。粉末的比表面积在30.4~77.1m~2/g之间,远远大于市售TiO_2粉末。掺杂镍、铁和锰以后,TiO_2粉末的比表面积比纯相有所提高,而掺杂铑以后,颗粒产生团聚,比表面积明显下降。 在光吸收性能的研究中,TiO_2粉末中除了掺杂锌和银元素后光谱吸收性能没有明显的改善外,其他大部分过渡金属离子和贵金属元素的掺杂都拓展了二氧化钛的激发波长,首次实现了二氧化钛对可见光吸收波长的大幅度红移,超过文献报道的光谱吸收范围,较宽光谱吸收的拓展有利于TiO_2光催化剂在可见光条件下的应用。 在进行光催化反应时,光源采用三种,一种是用高压氙灯全谱模拟日光,一种是采用三氯化铁溶液、水和玻璃滤掉高压氙灯光谱的大部分紫外线后作为光源,另外一种是采用465nm波长的光源。 在模拟日光光照下,考察了温度对光催化活性的影响,673 K~873 K之间焙烧的TiO_2纳米粉末的光催化活性较好。另外,以773 K为例考察了同一温度焙烧金属元素掺杂TiO_2粉末光催化降解对-硝基苯酚的活性,结果表明,掺杂锌、铂、金、钯后提高了TiO_2粉末的光催化活性,而掺杂锰、铬和银则使TiO_2粉末的光催化活性明显下降。 在高压氙灯光谱的大部分紫外线被滤掉以后和465nm波长的光照时,甲基橙的光催化降解表明;掺杂铁、铂、钒、铜、钯后的TiO_2粉末表现出了可见光催化活性的提高,其中Fe/TiO_2粉末和Pt/TiO_2粉末的光催化活性较好。尽管大部分的金属元素掺杂都使二氧化钛粉末的光谱吸收范围拓宽,但是并不是所有的掺杂都使其光催化活性提高,这一点说明光吸收能力不是光催化剂的活性唯一的决定因素。 由于粉末在使用中存在难于分离和回收的问题,所以本文在玻璃片上制备了纯TiO_2薄膜和金、铑掺杂的TiO_2单层和多层薄膜并对其各方面性能进行了考察。薄膜表面均匀,致密,热处理后没有出现裂痕,与载体结合牢固。薄膜的厚度薄,晶粒尺寸很小,为纳米尺寸。焙烧温度和负载层数影响薄膜的光催化活性,673K和773K焙烧的薄膜光催化活性较好,773K时随负载层数的增加,薄膜对对-硝基苯酚的光催化降解活性逐渐提高。另外,掺杂元素对薄膜的活性影响很大,金的掺杂使二氧化钛薄膜的光催化活性提高,而铑的掺杂则使光催化活性下降。 Pt/TiO_2粉末是掺杂改性后获得的活性较好的催化剂,本文以Pt/TiO_2粉末催化剂为例考察了对-硝基苯酚、黑索金和梯恩梯三种硝基化合物的光催化降解。在模拟日光照射下,它们的光催化降解反应均为一级动力学反应,反应4小时以后,其降解转化率达到了90%以上。 本论文通过金属元素掺杂的方法对纳米TiO_2光催化剂进行改性研究,拓展了TiO_2光催化剂的光激发波长,解决了TiO_2不能利用可见光的弊端,通过系统的实验研究和各种表征数据的分析,获得了改性后TiO_2光催化剂的制备方法和性能的变化以及影响光催化活性的规律。……   
[关键词]:光催化;掺杂改性;二氧化钛;废水处理
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国工程物理研究院2007年