tio2改性催化劑的制備及光催化應用畢業論文-wenkub

　

【正文】 余水分、有機基團和有機溶劑，得到干凝膠。 溶膠凝膠法溶膠一凝膠法是20世紀80年代以來新興的一種制備材料的濕化學方法，這種方法能夠通過低溫化學手段剪裁和控制材料的顯微結構，因此在材料合成領域具有極大的應用價值，引起了廣泛的研究和關注。由于受到表面膜的限制，這種方法避免了沉淀顆粒的大量團聚，并且通過控制微乳液成分的配比，可以控制微型水池的尺寸，從而達到有效控制超細顆粒粒徑的目的。其中W/0型微乳液可以用來制備超細摻雜TiO2。這種方法工藝簡單，成本低，但離子尺寸較大，且金屬離子不易在顆粒中分布均勻。TiCl4或Ti(S04)2等無機鹽廉價易得，成本低。由于沉淀離子的濃度大大超過沉淀平衡濃度，從而使兩種離子能夠同時按比例沉淀下來，得到較均勻的沉淀物。而這些因素最終取決于化學組成及其制備，在研究摻雜TiO2納米材料時，人們往往發現相同的材料由于按不同的制備方法，最后得到不同的研究結論，所以摻雜 Ti02光催化劑的活性與其制備方法有著密切的關系。② 化學組成。 摻雜TiO2制備方法任何物質的性能不光取決于其化學組成，還往往取決于組成結構以及制造方法。其中，氮摻雜TiO2光催化劑的研究最受矚目。而非金屬元素摻雜TiO2雖然出現較晚，但已經有實際的產品生產。因此，過渡金屬元素摻雜作為一種技術途徑長時間被人們用于開發具有可見光誘導特性TiO2的研究，我們也將在下面對過渡金屬元素摻雜TiO2進行理論和實驗研究。攙雜后，用能量較小的光子就能夠將電子激發到摻雜能級上，提高可見光利用效率。對于過渡金屬元素摻雜使TiO2的光催化效率得以提高的機制，可謂是眾說紛壇。 過渡金屬元素摻雜過渡元素存在多化合價，同時過渡元素的原子具有未滿的d電子殼層，且能級低而密，可容納較多的電子，結合能特別高。目前針對TiO2光催化劑的改性研究主要包括如下方面:表面貴金屬沉積，金屬離子摻雜，非金屬摻雜，染料敏化件、離子注入、引入氧空位以及半導體復合等等。 + D → D+ + H2O ()e + A → A ()h+ + D → D+ ()不同半導體的光生電子/空穴對具有不同的氧化還原能力，對于銳鈦礦型TiO2而言，價帶空穴是很強的氧化劑(pH=7時Evb=+，SHE)，能直接氧化大多數有機物以及氧化水分子生成羥基自由基，而導帶電子則是很好的還原劑(PH=7時Evb=，SHE)，可以還原大多數金屬離子以及還原溶解氧生成的超氧自由基(O2 + H+ ()e + O2 → 大部分有機光致降解反應，其反應不是直接就是間接地充分利用空穴的氧化能力。TiO2在光照下能夠進行催化氧化還原就是因為其特殊的半導體能帶結構，光激發產生的電子和空穴在電場力的作用下分離并遷移到粒子表面。半導體的能帶位置及被吸附物質的氧化還原電勢，決定了半導體光催化反應的能力。半導體的光吸收閾值λg與帶隙能Eg有關，其關系式為:λg (nm)=1240/Eg(eV)。文獻表明，TiO2的催化活性被應用于對細菌和氣味的光解處理，另外，還可以使癌細胞失活，對臭味進行控制，對于氮的固化和對于油污染清除都是十分有效的。能隙較大，產生光生電子和空穴的電勢電位高，有很強的氧化性和還原性。這些半導體中TiOCdS的催化活性最高，但是CdS、ZnS在光照時不穩定，因為光陽極腐蝕而產生Cd2+、Zn2+，這些離子對生物有毒性，對環境有害。近年來，國內外學者對納米TiO2在太陽能轉換和儲存、污水處理、氣體傳感器、光催化化學合成等方面的應用進行了大量的研究。TiO2改性催化劑的制備及光催化應用畢業論文目錄摘要 iAbstract ii 1 納米TiO2光催化材料簡介及光催化機理 1 納米TiO2光催化材料簡介 1 TiO2光催化的基本原理 1 提高光催化性能的改性方法及原理 3 過渡金屬元素摻雜 3 稀土元素摻雜 4 非金屬元素摻雜 4 摻雜TiO2制備方法 5 共沉淀法 5 浸漬法 6 W/O型微乳液法 6 固相反應法 6 溶膠凝膠法溶膠一凝膠法 7 金屬離子摻雜改性TiO2的原理及影響因素 7 金屬離子摻雜 TiO2 的光催化機理 8 金屬離子摻雜改性TiO2光催化性能的影響因素 9 TiO2光催化技術在環境凈化方面的應用 11 水環境有機污染物的去除 11 空氣凈化 11 高效殺菌 12 本課題研究的意義及內容 12 12 132 實驗方法 14 設計及實驗流程圖 14 儀器與試劑 15 實驗儀器 15 分析測量儀器 15 化學試劑和原材料 15 初始化學試劑的配制 16 凝膠的制備及條件的選擇 16 TiO2凝膠的制備 16 M/TiO2凝膠的制備 18 粉末的制備 18 粉末的光催化降解實驗方法 18 粉末的表征 19 20 焙燒溫度的影響及優選 20 不同金屬摻雜的影響及優選 20 摻雜量的影響及優選 21 不同反應pH的影響及優選 22 表征數據的處理及分析 22 22 22 224 結論 235 謝辭 256 參考文獻 26 27 納米TiO2光催化材料簡介及光催化機理 納米TiO2光催化材料簡介自從1972年日本Fujisima和Honda報道了TiO2電極上電解水現象后，半導體光催化引起了國際化學、物理學和材料學等領域科學家的廣泛關注。1977年，Frank和Bard用TiO2作為光催化劑氧化CN為OCN，開創了光催化劑用于污水處理的先河。TiO2光催化材料是當前最有應用潛力的一種光催化劑。另外，TiO2為白色粉末，根據需要，可制成白色或無色塊體和薄膜。半導體具有特殊的電子結構，由一個滿的價帶(簡寫為VB)和一個空的導帶(簡寫為CB)構成半導體能帶結構。半導體受激發產生的電子/空穴對(e,h+)統稱為載流子，載流子可以在體相或表面復合放出熱能，也可以與半導體表面的物質發生氧化還原反應。從熱力學觀點看，半導體導帶電勢應比表面電子受體相應的電勢要高(更負)，光生電子才能傳給電子受體，使其發生光催化還原反應。電子成為很好的還原劑(+～)，電子在材料的表面被捕獲，即被吸附在半導體表面，或者是吸附在荷電的周圍粒子的雙電子層之內，與表面吸附的氧分子反應，不僅形成O2一和O等離子和自由基，還是表面羥基自由基的另一來源，表面羥基自由基這些高活性基團能夠無選擇地氧化多種有機物并使之礦化，通常被認為是光催化反應體系中的主要氧化劑。O2 ()HO)和雙氧水(H202)。改性的目的和作用包括提高激發電荷分離，抑制載流子復合以提高量子效率，擴大光波的響應范圍，改變產物的選擇性等，這些其實也是度量半導體光催化劑好壞的指標。從半導體電子學的觀點來看，摻雜有下列兩個作用:一是形成捕獲中心。總結起來，有以下幾個方面的原因:(l)摻雜可以形成俘獲中心。(3)摻雜可以導致載流子擴散長度增大，延長載流子壽命。 稀土元素摻雜由于稀土元素具有豐富的f層電子，可發生fn組態內的能級躍遷、組態間的能級躍遷和復雜的光譜，其摻雜對二氧化鈦的光催化活性有促進作用，故而人們將稀土摻雜到TiO2催化劑中，達到提高其光催化活性和擴大對可見光光譜響應范圍的效果。關于非金屬元素摻雜TiO2具有可見光活性的原理，主要有兩種觀點:第一，雜質原子替代了TiO2中的氧原子，而使Ti02的價帶變寬，帶隙變窄。ClemensBurda等在室溫條件下用三乙胺直接氨化粒徑為610nm的TiO2凝膠顆粒，制得了TiO2xNx，并且將摻氮濃度提高到了8%(原子比)，將吸收光波波長拓展到了600nm以上，并在39Onm和540nm光源下對亞甲基藍都有很好的脫色作用。即使具有相同化學組成，不同制備方法得到的物質由于結構不同，性能可能相差甚遠，比如銳鈦礦型二氧化鈦和金紅石型二氧化鈦無論是密度、硬度、介電常數、折射率，還是光化學活性，都有著較大的差異。③ 界面或表面的存在及其結構特征，如顆粒間界、界面間界、雜