鉬(鎢)氮共摻雜二氧化鈦納米管陣列薄膜的制備及其可見光催化性能研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的納米顆粒TiO2相比,TiO2納米管陣列薄膜有序度高、比表面積大、吸附能力強(qiáng),且有序的納米管陣列結(jié)構(gòu)可以提高光生電荷的傳輸壽命并降低其復(fù)合幾率。其在光催化、光電池、電致變色、超疏水\超親水、生物適應(yīng)以及傳感等方面的應(yīng)用中表現(xiàn)出很好的特性,具有廣泛的應(yīng)用前景。但也存在一些缺陷主要表現(xiàn)在:(1)帶隙較寬(3.2eV)只能被紫外光激發(fā),而對太陽光中45％的可見光的利用效率低;(2)光生電子與空穴的復(fù)合率高,光量子效率低。近年來,許多研

2、究結(jié)果表明,過渡金屬與非金屬共摻雜是改變TiO2電子結(jié)構(gòu)獲得可見光催化活性的常用方法。
　　本論文采用電化學(xué)陽極氧化的方法制備二氧化鈦納米管陣列,并在此基礎(chǔ)上,采用水熱法制備具有可見光響應(yīng)的過渡金屬與非金屬共摻雜的二氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)。即本文采用陽極氧化法和水熱法兩步法相結(jié)合制備了鉬氮共摻雜與鎢氮共摻雜兩種TiO2納米管陣列薄膜催化劑,并研究了摻雜濃度對樣品結(jié)構(gòu)和可見光催化性能的影響。
　　(ⅰ)不同摻雜濃度的鉬氮共摻雜TiO

3、2納米管陣列薄膜光催化劑的XPS結(jié)果顯示鉬氮共摻雜TiO2中氮以N―Ti―O和N―O―Ti取代摻雜和間隙摻雜兩種形式存在,鉬以六價Mo6+取代TiO2中的Ti4+,表明鉬氮成功摻雜到 TiO2相比,鉬氮共摻雜的二氧化鈦光催化劑吸收光譜發(fā)生明顯紅移,可見光吸收可拓寬到570nm;可見光催化亞甲基藍(lán)脫色結(jié)果也表明,鉬氮共摻雜TiO2納米管陣列薄膜具有明顯增強(qiáng)的可見光催化活性且隨著摻雜濃度的增加而增強(qiáng),當(dāng)摻雜溶液的濃度為1%時,催化劑Mo-N

4、-TiO2-1具有最好的光催化活性,在可見光照射下三個小時就幾乎能將亞甲基藍(lán)脫色完全。實驗結(jié)果證明鉬氮共摻雜不僅拓寬了二氧化鈦對可見光的吸收,而且陰陽離子補(bǔ)償?shù)你f氮共摻雜鈍化了雜質(zhì)能級減少電子空穴復(fù)合中心,從而進(jìn)一步提高可見光催化活性。
　　(ⅱ)不同濃度摻雜的鎢氮共摻雜TiO2納米管陣列薄膜催化劑的XPS結(jié)果顯示氮以N―O―Ti形式存在,鎢以六價W6+取代TiO2中的Ti4+;紫外可見漫反射譜圖表明與共摻雜前的TiO2相比,鎢氮

5、共摻雜顯著拓寬了TiO2對可見光的吸收;可見光催化亞甲基藍(lán)脫色結(jié)果表明鎢氮共摻雜TiO2納米管陣列薄膜具有明顯增強(qiáng)的可見光催化活性。這是由于鎢氮共摻雜后鎢離子在二氧化鈦的導(dǎo)帶下方產(chǎn)生新的雜質(zhì)能級,氮離子在靠近價帶上方產(chǎn)生雜質(zhì)能級或與價帶雜化抬高了價帶,鎢氮的協(xié)同效應(yīng)形成的雜質(zhì)能級窄化了TiO2帶隙,減少了光生電子與空穴的復(fù)合,此外變價的鎢形成的能級又做為光生電子的捕獲中心有效地提高了光生電子和空穴的分離效率,進(jìn)而提高了可見光光催化活性。