| 碳氮掺杂二氧化钛及其可见光催化活性 | |
| 董春香 | |
| Subtype | 博士 |
| Thesis Advisor | 韩恩厚 |
| 2006-06-12 | |
| Degree Grantor | 中国科学院金属研究所 |
| Place of Conferral | 金属研究所 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 二氧化钛 溶胶－凝胶法 碳 氮共掺杂 可见光催化活性 亚甲基兰 |
| Abstract | 摘 要 二氧化钛光催化材料降解有机污染物被认为是一种治理环境污染的有效方法。为了更有效的利用自然光，提高光催化效率，制备具有可见光吸收和降解能力的二氧化钛具有重要意义。在二氧化钛中掺杂其他元素能够使其吸收边向可见光方向移动。早期的研究主要集中在过渡金属元素的掺杂上，但是过渡金属掺杂存在一些缺陷，如热不稳定性，易产生二次污染及掺杂元素易成为载流子的复合中心而降低催化剂的紫外光催化活性等。2001年，Asahi等发现氮元素的掺杂也能使TiO2吸收边向可见光方向移动，同时并不降低对紫外光的利用率。此后，相继出现了有关阴离子元素掺杂的报道。在这些阴离子掺杂的方法中，普遍存在着制备方法复杂，烧结温度较高的缺点。为了能够用简单方法制备出可见光活性的二氧化钛，本文用化学方法合成了碳、氮元素掺杂的二氧化钛纳米材料。采用XRD、TG-DSC、XPS、紫外-可见吸收光谱、透射电镜及扫描电镜等分析手段对合成的材料进行了表征和可见光照射下的光催化活性研究，同时分析了影响光催化活性的主要因素。 采用溶胶-凝胶方法，以硝酸为水解催化剂，在常温下制备了碳、氮元素同时掺杂的纳米二氧化钛材料。制备的粉体克服了传统溶胶-凝胶法易于团聚和晶化程度较低的缺点。XRD结果显示常温干燥后的凝胶即为晶化良好的锐钛矿。HRTEM显示300℃烧结后的粉体具有很好的单分散性，颗粒平均尺寸仅～6纳米。BET分析表明粉体比表面积高达270m2/g。XPS分析证明碳、氮元素被同时掺杂到TiO2中，其浓度随制备条件而变化。300℃烧结后，掺杂的碳、氮含量最高，分别达到1.05at.％和0.4at.％。吸收光谱表明，制备粉体具有较强的可见吸收。在可见光照射下，粉体对亚甲基兰及苯酚均表现出较强的可见光催化活性和紫外光催化活性。 研究了硝酸加入量对制备粉体的影响。当硝酸加入量从0.5ml增加到9ml时，制备的干凝胶晶化程度逐渐完善；300℃烧结后的粉体颗粒逐渐减小，比表面积逐渐增大；可见吸收逐渐减弱；掺杂碳或氮元素开始时随着酸加入量逐渐增加而后又逐渐减少；在可见光条件下，对亚甲基兰及苯酚的光催化活性都逐渐增强。分析认为，颗粒晶化程度提高、粉体比表面积增大是粉体催化活性增强的原因。 研究了烧结温度对纳米TiO2粉体晶型、比表面积、粉体孔结构、光吸收性能以及可见光催化活性的影响。650℃发生锐钛矿向金红石型转变；随煅烧温度升高，比表面积逐渐增大后又逐渐减小，在200℃达到最大，为316 m2/g；可见吸收也逐渐增强又逐渐减弱，在200℃达到最强。掺杂元素含量也随温度发生变化。可见光催化活性在300℃达到最强。 利用XPS光电子能谱和紫外-可见分光光度计研究了影响可见光降解亚甲基兰的主要因素。通过分析亚甲基兰在粉体表面的吸附行为与可见光降解活性之间的关系，认为粉体表面状态是影响可见光催化活性的主要原因。 通过加入络合剂乙二胺四乙酸（EDTA）改进原有的溶胶-凝胶法，当烧结温度变化时，制备的粉体在晶体结构变化、吸收光谱、降解活性等各方面表现出来的规律与不加EDTA时相同。但是EDTA的加入却可以显著提高粉体的可见光催化活性。XPS分析表明煅烧后在颗粒表面残留的碳可以阻碍晶粒生长、增加比表面积、增强其表面吸附能力，因此有利于粉体催化活性的提高。 在不加入硝酸的情况下，以乙二胺四乙酸及氨三乙酸作为鳌合剂通过沉淀法制备了二氧化钛。沉淀为无定型，400℃烧结后为锐钛矿，600℃出现金红石型。采用两种鳌合剂生成的二氧化钛在晶型变化、颗粒形态以及化学组成等各方面极为相似。氨三乙酸方法制备的粉体具有以掺杂形式存在的碳元素。粉体具有很强的可见吸收。粉体颗粒较大，团聚严重，比表面积较小。在降解罗丹明B的过程中具有明显的可见光催化活性，但是降解活性却随着烧结温度的升高而逐渐增强。 |
| Pages | 134 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16841 |
| Collection | 中国科学院金属研究所 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 董春香. 碳氮掺杂二氧化钛及其可见光催化活性[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006. |
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