金屬離子摻雜及表面硫酸化改性介孔TiO2@SiO2制備、表征及其光催化性能研究.pdf

1、TiO2光催化劑因其具有無(wú)毒、價(jià)廉易得、穩(wěn)定性好、抗光腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于解決當(dāng)代具有全球挑戰(zhàn)性的能源再生和環(huán)境凈化問題。然而，純TiO2材料的光生電子空穴對(duì)復(fù)合幾率高;另一方面，TiO2晶體較大的禁帶寬度，只有波長(zhǎng)落在紫外光區(qū)（λ＜387.5 nm）才能被激發(fā)，嚴(yán)重地阻礙了對(duì)太陽(yáng)光能量（紫外光～5％，可見光～43％，紅外光～52％）的有效利用。為實(shí)現(xiàn)其對(duì)太陽(yáng)光能量的高效利用，通過摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合等改性手段調(diào)控TiO2晶體帶隙，將

2、光吸收邊帶紅移到可見光區(qū)，是具有重要應(yīng)用價(jià)值的研究方向。
　　本文通過介孔化、摻雜、負(fù)載、表面硫酸化改性等技術(shù)手段，拓展TiO2光響應(yīng)范圍、提高量子效率，制備了6種高活性TiO2可見光催化劑。通過TEM、XRD、XPS、BET、UV-vis、IR、TG、PL等分析表征手段對(duì)TiO2光催化劑的結(jié)構(gòu)、形貌、表面化學(xué)組成、光學(xué)性能進(jìn)行了表征。考察了不同元素?fù)诫s對(duì)光催化活性的影響，研究了其在環(huán)境治理方面的應(yīng)用，為TiO2可見光催化劑的開發(fā)

3、應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。研究取得了如下主要?jiǎng)?chuàng)新結(jié)果:
　　(1)通過原位溶膠-凝膠法成功地制備了一種新型紫外和可見光響應(yīng)介孔SO42-/xMo-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑，與商業(yè)化光催化劑Degussa P25相比較，發(fā)現(xiàn)制得的復(fù)合光催化劑紫外和可見光催化活性顯著提高。復(fù)合光催化劑具有多級(jí)介孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、典型的銳鈦礦相，Mo已摻入到TiO2晶格。以甲基橙為模型化合物，光降解試驗(yàn)表明復(fù)合光催化劑的光活性依賴于Mo摻雜

4、劑的濃度，當(dāng)Mo/Ti=0.5mol％時(shí)，表現(xiàn)出最佳的紫外和可見光催化活性，其紫外光解60 min及可見光催化反應(yīng)40 h時(shí)甲基橙脫色率分別為100％、80.2％。適量摻雜可以捕獲光生電子和減少電子空穴的復(fù)合率，加快光催化反應(yīng)。復(fù)合光催化劑具有良好的重復(fù)使用性能，循環(huán)使用6次后紫外光催化降解20 mg/L的甲基橙溶液60 min，脫色率仍然保持在90.0％以上。
　　(2)以鈦酸四丁酯為前驅(qū)體，P123為模板劑，鎢酸銨為摻雜劑，通

5、過溶膠凝膠法合成了可見光響應(yīng)介孔SO42-/xW-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑。研究分析表明，W摻雜不僅拓展了TiO2光催化劑可激發(fā)光范圍，還使之具有較大表面積及孔容、高銳鈦礦相結(jié)構(gòu)、高光生電子空穴分離效率。復(fù)合光催化劑的紫外與可見光催化活性均高于P25，當(dāng)W/Ti=0.25mol％，光催化活性最高，其紫外光解60 min及可見光催化反應(yīng)40 h的甲基橙脫色率分別為98.89％、91.7％，使用5次后紫外光解60 min甲基橙脫色率仍

6、然保持在94.6％。
　　(3)成功制備了純銳鈦礦晶相的SO42-/xRE(Nd3+，La3+，Y3+)-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑。稀土離子摻雜復(fù)合光催化劑不僅抑制了晶粒生長(zhǎng)，還阻止了銳鈦礦相向金紅石相的轉(zhuǎn)變。最適宜摻雜濃度為0.25mol％，SO42-/0.25mol％RE(Nd3+，La3+，Y3+)-TiO2@SiO2光催化劑產(chǎn)生了較強(qiáng)的可見光吸收，帶隙變窄。介孔SO42-/0.25 mol％Nd-TiO2@SiO2光

7、催化劑的光催化活性最好，其紫外與可見光催化活性均高于P25，紫外光下60 min甲基橙脫色率為99.8％，可見光下40 h甲基橙脫色率為90.5％，經(jīng)循環(huán)使用6次后紫外光解120 min后，甲基橙脫色率為95.8％。這種高活性是因?yàn)橄⊥岭x子摻雜光催化劑具有大的比表面積、良好的結(jié)晶性、光吸收紅移現(xiàn)象及高光生電子空穴分離效率。
　　(4)以鈦酸四丁酯為鈦源、P123為模板劑、氯化鈮為摻雜劑，通過微波輔助溶膠-凝膠法合成了可見光響應(yīng)介孔

8、SO42-/xNb-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑。微波輔助制備的介孔SO42-/xNb-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑不僅拓展了光吸收范圍，還使之具有較大比表面積、孔體積、典型的銳鈦礦結(jié)構(gòu)、高光生電子空穴分離效率。其中微波加熱法制備的介孔SO42-/0.25mol％Nb-TiO2@SiO2復(fù)合光催化劑的紫外與可見光催化活性最高，均高于商業(yè)化光催化劑P25，紫外光照60 min，甲基橙脫色率為99.28％;可見光照40 h，甲基橙脫色率