非金屬離子共摻雜二氧化鈦薄膜光催化性能研究.pdf

1、二氧化鈦因廉價(jià)、無毒、催化效率高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前最具有開發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一。二氧化鈦能夠在紫外光的激發(fā)下產(chǎn)生光生空穴和光生電子,將空氣中微量有機(jī)物降解成CO2、H2O和其他小分子,從而消除污染。然而TiO2在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺陷,如其帶隙較寬(Eg=3.2eV),只有在入射光九小于387.5nm的紫外光激發(fā)下價(jià)帶電子才能躍遷到導(dǎo)帶上形成光生電子和空穴,使有機(jī)物分解,而紫外光在自然光中僅占3％～5％,因此對(duì)自然光的利

2、用率不高。另外,光生電子和空穴的復(fù)合機(jī)率很高,如何降低電子和空穴的復(fù)合率,提高TiO2納米粒子的光催化效率,是提高TiO2光催化劑催化效果的關(guān)鍵。為了彌補(bǔ)TiO2的上述缺陷,提高其光催化性能,并拓寬TiO2對(duì)光的吸收范圍,需要對(duì)TiO2進(jìn)行表面改性研究。本論文采取非金屬離子共摻雜及表面摻雜技術(shù)制備納米二氧化鈦薄膜,并對(duì)其光催化性能進(jìn)行研究。本研究主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 ⑴TiO2薄膜的制備及性能研究。采用改進(jìn)的溶膠凝膠技術(shù)

3、及焙燒工藝制備納米二氧化鈦薄膜。選取染料酸性品紅為降解目標(biāo),分別考察非金屬離子F-、B3+及S2-單摻對(duì)染料的降解情況,尋求其最佳摻雜濃度。在此基礎(chǔ)上,研究F-B雙摻及F-B-S三摻對(duì)有機(jī)染料的降解情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:無論在紫外光還是可見光照射下,非金屬離子共摻雜的光催化活性高于任何單獨(dú)離子的摻雜,并且三摻的效果比雙摻的效果更明顯。經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究表明,本文中不論是非金屬共摻雜還是單摻TiO2,光催化降解反應(yīng)均符合Langmuir-hins

4、hdwood一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。
　　 ⑵TiO2復(fù)合薄膜的表征。采用X射線衍射儀(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)、熒光發(fā)射光譜儀(PL)、熱重/差熱分析(DSC/TGA)、氮?dú)馕?脫附儀(BET)等表征手段探索了非金屬共摻雜TiO2的表面結(jié)構(gòu)和光吸收行為,光催化劑的反應(yīng)機(jī)理及共摻雜的反應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明二氧化鈦薄膜以銳鈦礦晶型為主,但含有少量的金紅石及板鈦礦相,當(dāng)摻雜非金屬離子特別是共摻雜非金屬離子后,金紅石及板鈦

5、礦型減少了甚至完全消失;純二氧化鈦薄膜表面團(tuán)聚現(xiàn)象比較嚴(yán)重,離子摻雜后的薄膜表面團(tuán)聚現(xiàn)象減輕,形貌相對(duì)平整,粒徑分布也比較均勻,并且具有介孔或微孔結(jié)構(gòu);摻雜后的二氧化鈦比純二氧化鈦比表面積增大,孔徑變小。
　　 ⑶光催化的機(jī)理分析。非金屬摻雜可以顯著提高光催化活性,共摻比單摻光催化效果更加明顯,共摻體系中三摻離子的光催化效果比雙摻更好?？赡艿臋C(jī)理是:摻雜后改變二氧化鈦的帶隙結(jié)構(gòu)或缺陷狀態(tài),生成更多電子和空穴,并且減少光生電子和空