低溫溶劑熱法合成可見光響應(yīng)TiO2光催化劑的研究.pdf

1、太陽能光催化技術(shù)是解決當(dāng)前全球能源緊缺和環(huán)境污染重要手段之一。眾所周知，有效利用太陽能的關(guān)鍵技術(shù)是構(gòu)筑價廉物美的半導(dǎo)體光催化材料。目前，TiO2光催化劑由于無毒，抗磨損、低成本以及較強的生物和化學(xué)惰性等特點在光催化領(lǐng)域受到了人們廣泛關(guān)注和研究。然而，由于TiO2本身存在的致命缺陷，如較低的光量子效率和光催化活性、較窄的光譜響應(yīng)，已經(jīng)嚴重阻礙了其在工業(yè)中的實際應(yīng)用。近年來，人們就提高TiO2對太陽能利用率和其光催化活性方面進行了大量研究。

2、當(dāng)前，最常用的方法是對TiO2進行摻雜改性。摻雜不僅可以窄化TiO2的能級結(jié)構(gòu)，拓展TiO2對可見光響應(yīng)范圍，而且還可以促進電子-空穴對的分離，提高TiO2在可見光區(qū)的催化活性?；诖?，本論文利用低溫溶劑熱法，合成了不同系列的非金屬元素和堿金屬離子摻雜TiO2納米光催化劑。另外，分別利用非水溶膠-凝膠法和高溫固相法制備了SnO2/ZnO/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑。
　　 采用低溫溶劑熱法在有機胺/乙醇-水的反應(yīng)體系中，制備了一

3、系列N摻雜納米TiO2光催化劑。研究了不同N：Ti摩爾比對TiO2晶相結(jié)構(gòu)，表面性質(zhì)和催化活性的影響。表征結(jié)果顯示，N摻雜可以抑制TiO2晶粒的生長，拓寬TiO2的光吸收范圍，極大的提高了TiO2的可見光催化降解MB和MO的活性，而最佳N摻雜濃度為N：Ti=1.0。EPR分析表明N摻雜會在TiO2帶隙間產(chǎn)生Ti3+施主能級和N摻雜能級，并在其表面形成大量的氧空位。三組分之間相互協(xié)同，明顯的提高了TiO2的可見光活性。
　　 分別

4、利用兩種S摻雜劑(硫脲與硫酸鈉)和兩種F摻雜劑(氟化銨與氟化鈉)制備了不同系列的S和F單一摻雜納米TiO2催化劑。詳細考察了S和F摻雜量對TiO2的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、光吸收性能、表面組成和催化活性的影響。光催化結(jié)果顯示，S和F摻雜均能提高TiO2的可見光催化活性。在S元素摻雜體系中，S以兩種形式存在于TiO2基體中：取代Ti4+進入TiO2晶格并形成Ti-O-S鍵和以形成SO2的方式吸附于TiO2的表面。而在F元素摻雜體系中，F(xiàn)取代TiO2晶格

5、氧而形成Ti-F鍵。S和F摻雜在TiO2基體和表面形成的氧空位是樣品具有可見光活性的主要原因。
　　 以硫脲和氟化銨為摻雜劑制備了顆粒均勻的F-S共摻雜TiO2納米光催化劑。XPS分析認為S和F元素進入TiO2晶格，分別與Ti4+離子結(jié)合形成Ti-S和Ti-F鍵。XRD分析發(fā)現(xiàn)F-S共摻雜有效地抑制了TiO2晶粒長大，催化劑在700℃煅燒后為純銳鈦礦相，顯示共摻雜可以抑制TiO2晶相轉(zhuǎn)變，使TiO2具有好的熱穩(wěn)定性。與單摻雜相比

6、，F(xiàn)-S共摻雜明顯提高了TiO2的可見光活性，原因在于共摻雜可以提升TiO2帶隙中摻雜能級的位置以及創(chuàng)造大量的氧空位，二者之間的協(xié)同作用可進一步提高樣品的可見光吸收和促進電子由摻雜能級向?qū)У倪w移。EPR分析表明F-S共摻雜TiO2表面存在的大量O2-是導(dǎo)致有機污染物降解的主要活性物種。
　　 為了控制TiO2的微觀形貌，開發(fā)出了模板劑一溶劑熱法，在低溫(140℃)下合成了具有銳鈦礦相的介孔TiO2微球。同時，采用共摻雜技術(shù)將T

7、iO2微球的光吸收帶邊紅移至可見光區(qū)，提高其可見光降解MO的效率。合成的介孔TiO2微球具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性。本論文還將低溫溶劑熱法擴展到堿金屬離子摻雜TiO2的合成中。通過調(diào)節(jié)堿金屬離子的摻雜量來研究堿金屬摻雜對TiO2的晶相、形貌，化學(xué)組成、催化劑表面狀態(tài)和活性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，堿金屬離子在摻雜量為3wt％時，樣品的平均晶粒尺寸最小，同時其光催化活性最高。
　　 利用高溫固相法和非水溶膠一凝膠法分別合成了SnO2/

8、ZnO/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑。研究發(fā)現(xiàn)，兩種方法都可以將Sn和Zn元素引入TiO2晶格中，從而導(dǎo)致催化劑發(fā)生晶格畸變。高溫固相法合成的催化劑為金紅石相。非水溶膠-凝膠法合成的復(fù)合催化劑在低摻雜量時為銳鈦礦相；在高摻雜量時，以金紅石相為主，可見SnO2和ZnO摻雜降低了TiO2的相變溫度。光催化降解實驗發(fā)現(xiàn)非水溶膠-凝膠法合成的SnO2/ZnO/TiO2復(fù)合半導(dǎo)體光催化劑具有良好的可見和紫外光活性，可見半導(dǎo)體復(fù)合促進了TiO2光生電