过渡金属修饰的氮掺杂二氧化钛及其可见光催化性能研究

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	过渡金属修饰的氮掺杂二氧化钛及其可见光催化性能研究
	孙彩霞
学位类型	博士
导师	尚建库
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料物理与化学
关键词	光催化氮掺杂二氧化钛金属修饰可见光催化
摘要	"光催化在环境领域的潜在应用价值得到了越来越多的关注，设计开发可见光下具有高效率的光催化材料是研究的热点。研究发现非金属掺杂可以提高TiO2材料对可见光的吸收，但是光催化效率较低。因此本论文结合过渡金属在光催化反应过程中的电子受体作用，可以阻止光生电子和光生空穴的复合，在N掺杂二氧化钛（TiON）的基础上进行过渡金属修饰，对合成的催化剂材料进行可见光光催化降解和光催化杀菌测试。重点研究了材料修饰改性和材料可见光催化性能之间的关系。首先采用溶胶快速凝胶法，制备了Ag、Ni共修饰的TiON(N掺杂二氧化钛)前驱体（Ag2O/NiO/TiON），重点考察了煅烧温度对材料光催化性能的影响。结果表明：煅烧温度对材料可见光催化效果有重要影响。当样品在400 oC煅烧时，材料的结晶较完善，对可见光有强烈的吸收，材料表现出了很高的可见光催化活性；当样品在低于400oC煅烧时，材料的结晶度较差，对可将光的吸收较弱，不利于材料光催化性能的发挥；当材料在500 oC煅烧时，材料的结晶度较好，但是基体中的N含量减小，导致材料在可见光下的光催化活性减弱。结果在利用快速凝胶法制备Ag2O/NiO/TiON时，最佳的煅烧温度为400 oC。基于上述研究结果，在制备过程中通过改变过渡金属离子（Ag+）和（Ni2+）的添加量，考查了过渡金属离子单独添加时对材料（Ag2O/TiON和NiO/TiON）可见光催化性能的影响。Ag+的添加量对材料可见光催化性能有重要影响，当Ag+添加量为Ag:Ti=1:50（摩尔比）时，材料表现出很高的光催化效率，当低于此添加量时，材料的可见光催化活性较低，添加量高于Ag:Ti=1:50时，材料尽管具有较高的光催化活性，材料本身也具有一定的抗菌性。相反Ni2+添加量的变化对材料光催化活性的影响不是很大。在Ni2+添加量在1:300~1:30(Ni:Ti摩尔比)变化时，光催化性能几乎无变化。此外本论文还研究了在制备过程中同时添加Ag+、Ni2+离子，利用Ag2O和NiO之间的协同作用共同对TiON基体进行修饰，参考Ag+、Ni2+单独添加时对材料可见光催化性能的影响规律，选定Ni:Ti添加量为1:300,考查了Ag+添加量对NiO/TiON光催化性能的影响。结果显示：当Ag+添加量为Ag:Ti=1:50（摩尔比）时，Ag2O/NiO/TiON材料表现出很高的光催化效率，但是效果远远高于此添加量时的Ag2O/TiON；Ag2O/NiO/TiON表现出来的光催化效率不是Ag2O/TiON和Ni/TiON的简单叠加，而是存在着协同效应，文中对这种效应进行了讨论。同时为了更好地理解光催化杀菌的过程以及机理，通过对作用前后细菌形貌观察，初步理解了光催化杀菌过程，在光催化过程中，细菌的细胞膜首先得到破坏，接着细菌内部结构产生一系列变化。最后利用有机泡沫模板法制备了一种金红石型TiO2泡沫材料，制备工艺中采用20000（聚乙二醇）调节浸渍浆料的粘度，结果显示在PEG添加量为1wt%浆料的流动性和粘度比较适合浸渍。在后续的热烧结过程中，发现煅烧温度对材料的孔隙率、收缩率、以及压缩强度有很大影响，在1400 oC煅烧时，材料仍然具有高达近80%的开孔率和透光性。以具有高孔隙率和较高强度的金红石泡沫材料为载体，负载具有可见光催化性能的锐钛矿型TiO2，得到了金红石和锐钛矿相复合的大孔泡沫光催化剂材料，这种材料在可见光下具有很好光催化效果，并且易于回收和再生，对大规模的实际使用具有很好的推动作用。"
其他摘要	Nowadays more and more attentions were paid to heterogeneous photocatalysis in environmentall applications. Solar energy provided by the nature is an abundant and sustainable resource. A critical element in making use of solar energy is to develop photocatalyst materials with high photocatalytic efficiency under visible light irradiation. As reported. nonmetal doping can improve the absorption of photocatalyst in visible light region. However, the recombination of the carriers in nonmetal doped TiO2 seriously limits its photocatalytic efficiency In this thesis, a novel approach to combine transition metal modification with nonmetal doping to enhance the photocatalytic efficiency was pursued. Transition metal can capture e- induced during photacatalysis reaction to prevent the recombination of carriers, while the N doped matrix provides a good visible light absorption performance. The activity of synthesized photocatalyst was evaluated by disinfection on E. coli and degradationof MB (Methylene Blue) under visible light. The research included the preparation of transition-metal modified nitrogen-doped titanium oxides and investigation of their photocatalytic properties as related to processing parameters, dopant type, dopant concentration, and structures.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64296
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	孙彩霞. 过渡金属修饰的氮掺杂二氧化钛及其可见光催化性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.