N掺杂TiO_2薄膜的光催化性能研究

开发具有可见光活性的光催化剂,在污染物处理和光能转换等方面,都有很大的应用价值。掺杂改性则是实现TiO_2可见光活性的重要手段之一。文献表明,在非金属元素掺杂中,N掺杂效果最为理想,已经成功地将光响应波长红移到可见光区,取得了很好的光催化活性。目前所制备的N掺杂TiO_2光催化剂主要有粉末和薄膜两种。粉末状催化剂较易制备,但存在难以回收的缺点;而采用简单方法制备高催化效率的薄膜仍存在一些困难。采用溶胶-凝胶法制备了N掺杂改性的TiO_2薄膜以及SiO_2/TiO_2、FeCe/SiO_2/TiO_2等类型的复合薄膜,研究了镀膜的类型和层数、热处理温度和气氛,尿素、硫脲等不同氮源和掺杂量对薄膜光催化性能的影响;并且采用XRD、SEM、XPS、AES等分析了膜层的成分、相结构、表面形貌、膜厚、附着力,结合掺杂离子的类型、浓度、能级、电子构型、半径和化合价等因素,研究工艺条件对TiO_2的能带、异质结构的影响,研究了玻璃薄膜光催化活性变化的机理,特别是对TiO_2吸收边红移的作用机理。     

共掺杂Cu-Ce/TiO_2光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法,以钛酸丁酯为前驱体制备了不同Cu-Ce掺杂量的纳米TiO2光催化材料。通过模拟环境室内甲醛气体的降解实验,探讨了不同样品在日光灯和纯可见光下的光催化效果,并采用X射线衍射仪和紫外-可见分光光谱仪对其晶相结构与光学特性进行表征分析。结果表明,Cu-Ce掺杂能明显提高二氧化钛在可见光下的光催化活性,当Cu-Ce掺杂浓度为2.5%时,对甲醛气体的光催化降解效果最佳。     

镧掺杂TiO_2的制备及其光催化性能研究

将硫酸氧钛、硝酸镧、氢氧化钠作为原料,在醇水溶液体系中制得La-TiO_2纳米晶,通过X射线衍射仪、扫描电镜、红外光谱仪、物理吸附仪、紫外-可见-近红外分光光度计对样品的结构和形貌以及性能进行了表征。结果表明:制得的La-TiO_2为纯锐钛矿TiO_2,当掺杂比例为1%(摩尔比,La~+∶Ti~(4+)=1∶100)时La-TiO_2的比表面积为210m~2/g,具有介孔结构,反应时间3h,对甲基橙的降解率最大,降解率达到85.60%。     

掺杂Li~+纳米TiO_2光催化性能的研究

采用溶胶-凝胶法制备不同掺Li~+量的纳米TiO_2,并通过X射线衍射、紫外可见分光光度计等手段对催化剂进行表征。结果表明,Li~+掺杂促进TiO_2锐钛矿向金红石相的转变,抑制TiO_2晶粒的生长,使金红石相TiO_2吸收带边发生红移。以甲基橙溶液为目标降解物,考察掺Li~+量、焙烧温度、催化剂用量等因素对TiO_2光催化活性的影响。实验表明,Li~+掺杂的摩尔分数为4%,煅烧温度为500℃,催化剂用量为1.0g/L,经300W紫外灯照射30min,甲基橙溶液降解率可达99.25%,动力学降解速率常数为纯TiO_2的1.8倍。     

F掺杂TiO_2的制备及其光催化性能研究

以钛酸四丁酯为前驱体,氢氟酸(HF)为氟源,采用水热反应法制备了具有可见光活性的氟(F)掺杂二氧化钛(TiO_2)(TiO_2-F),研究了F掺杂对TiO_2光催化性能的影响。采用XRD、Raman spectra、N2-BET、TEM、XPS等手段对催化剂进行了表征。研究结果表明:适量HF的掺入可以明显提高TiO_2高能晶面的暴露比、结晶程度、粒径大小以及对甲基橙(MO)的降解效率,在MO浓度为15mg/L、pH为6.5,降解时间为2.5h,HF添加量为60%(体积浓度)制得的TiO_2-F用量为0.8g/L条件下,TiO_2-F对MO溶液的降解率最大达到62.4%,具有较好的光催化效果。     

金属离子掺杂TiO_2光催化降解甲基橙的研究

采用溶胶-凝胶法,以钛酸正丁酯为前驱物,无水乙醇为溶剂,冰醋酸为螯合剂,控制反应温度为40℃,pH=2~3,控制不同原料配比和煅烧温度,制备二氧化钛(TiO_2),及制备Cu~(2+)、Fe~(3+)、Zn~(2+)、Sr~(2+)、Na~+、Co~(2+)掺杂的TiO_2光催化剂,每种金属离子掺杂质量分数为0.2%。结果表明,最佳条件为钛酸正丁酯∶无水乙醇∶蒸馏水∶冰醋酸(体积比)=1∶10∶3∶1,煅烧温度为600℃;金属离子掺杂量相同的情况下,光催化降解甲基橙的顺序为:Fe-TiO_2Cu-TiO_2Na-TiO_2CoTiO_2Sr-TiO_2TiO_2Zn-TiO_2。     

Ce掺杂TiO_2的制备及其光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了Ce掺杂TiO2光催化剂,通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对其结构进行了表征,研究了其在紫外光下对聚丙烯酰胺(PAM)的降粘性能,探讨了催化剂用量、光照时间、煅烧温度和煅烧时间等因素对PAM降粘效果的影响。实验结果表明:Ce掺杂TiO2提高了TiO2的光催化活性;当Ce:TiO2的摩尔比为3∶100、煅烧温度为500℃、煅烧时间为2h、催化剂加入量为2%(质量分数)时Ce掺杂TiO2催化剂的光催化降粘率可达99%以上。     

氮掺杂TiO_2的制备及其光催化性能研究

应用溶胶-凝胶法,以尿素和钛酸丁酯为原料制备前躯体,前躯体在500℃、焙烧3 h条件下制备不同浓度掺杂氮的TiO2纳米粉体。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、紫外可见光谱(UV-Vis)等分析手段对样品的物相、形貌、成分和吸光性能进行表征,并且以亚甲基蓝溶液为模拟污染物在阳光下进行光催化实验。结果表明:样品主要为锐钛矿相二氧化钛及少量的金红石型二氧化钛,颗粒粒径小于300 nm,有一定程度的团聚,样品中含有质量分数分别为0、2.99%、6.23%、11.38%的氮元素,氮掺杂样品的光谱吸收边缘红移至400~470 nm。光催化实验表明:氮掺杂可以大大改善TiO2在可见光波段的光催化性能。     

金属和非金属共掺杂TiO_2催化剂光催化活性研究

采用溶胶-凝胶法制备了B、N和Ce共掺杂TiO2光催化剂,并用XRD、SEM等表征了其结构特征。以酸性大红染料为模型化合物,探索了其光催化性能,同时考察了制备条件对共掺杂TiO2催化剂活性的影响。结果表明,当B、N和Ce的原子为1∶2∶0.1时,光催化剂活性最大,大红染料的降解率达到98%。     

硫掺杂TiO_2空心球制备及光催化性能研究

以聚苯乙烯-丙烯酸羟乙酯共聚(P(StHEA))微球为模板、钛酸四丁酯和硫脲为主要原料,制备了硫掺杂二氧化钛(S-TiO2)空心球,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)和X光电子能谱(XPS)表征产物的形貌、晶型以及硫元素的掺杂状态,并以甲醛溶液模拟废水,研究了S-TiO2空心球的紫外光催化性能。结果表明,煅烧去除了P(St-HEA)微球模板,成功得到TiO2空心球,硫元素掺杂对TiO2空心球的粒径和形貌影响不大。STiO2空心球锐钛矿型晶粒的尺寸缩小,晶型由纯的锐钛矿型转化为锐钛矿/金红石型混合晶型。硫脲引入的硫离子,以S4+状态取代TiO2晶粒中的Ti4+离子,形成Ti1-xSxO2固溶体。S-TiO2空心球光催化性能优于TiO2空心球,且空心球的光催化性能优于粉体P25。STiO2空心球在紫外光下照射2 h,降解甲醛的催化效率为60%。     

钴掺杂改性TiO_2的制备及其光催化性能研究

选用六水合硝酸钴((Co(NO3)2·6H2O)为掺杂剂,以钛酸四丁酯(TBOT)为原料,利用水热法制备出钴掺杂改性的TiO_2光催化剂,并利用XRD、SEM、EDS等方法对样品进行表征,研究了Co/TiO_2催化剂的结构、形貌和组成及其对甲基橙的光催化降解性能。结果表明,通过水热法制备的纯TiO_2及Co/TiO_2均为金红石相结构,掺杂Co2+并未改变TiO_2的晶体结构,Co/TiO_2为单分散相的球型,分布较均匀。Co/TiO_2对甲基橙的降解能力相比纯TiO_2有显著提高,当Co2+的掺杂量为1%(mol,摩尔百分含量)时,降解效果最好,最高降解率可达到97.4%。     

氟掺杂TiO_2的水热法制备及其光催化性能研究

采用水热法,以Ti(SO4)2为钛源,NaF为氟源制备了具有高催化活性的氟掺杂二氧化钛(F/Ti O2)光催化剂。用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外可见漫反射光谱(DRS)等手段对样品进行表征。结果表明,焙烧温度、氟投加量等都影响F/Ti O2光催化剂的光催化活性。80℃干燥、氟投加量为30%(与钛的物质的量比)时的F/Ti O2(F/Ti O2-30%-80)具有最佳的光催化活性,其平均粒径大小为5.9nm,比表面积为163.2 m2/g。该催化剂由锐钛矿相和无定型Ti O2的组成,其中锐钛矿含量为73.3%。苯酚降解实验表明:该催化剂的光催化活性远高于相同条件制备的未掺杂Ti O2。     

N掺杂浓度对TiO_2光催化活性第一性原理研究

采用第一性原理超软赝势平面波方法研究了不同浓度N掺杂对锐钛矿相TiO2的晶体结构、电荷布局、能带结构、态密度及光学特性的影响。计算结果表明,N掺杂会引起TiO2晶格畸变,晶体体积、原子间键长及电荷分布随掺杂量发生变化。N掺杂使轨道分裂,在价带顶引入杂质能级,使TiO2的禁带宽度变窄,掺量越大带隙越小。掺杂使TiO2由间接半导体转变为直接半导体,光吸收带边同时出现红移和蓝移。在计算范围内,随着掺杂浓度的增大,可见光吸收强度逐渐增强。     

涂覆型TiO_2光催化材料的制备及光催化性能研究

以溶液凝胶法制备TiO_2溶胶,用氧化铝球为载体,采用浸渍法制备涂覆型TiO_2光催化材料用XRD、SEM、UV-Vis等方式进行性能表征;将制备的涂覆型TiO_2光催化材料装入自制的管式光催化反应器中,以甲苯为目标污染物,研究了其光催化性能。结果表明,氧化铝球载体涂覆前后形貌发生改变,涂覆后氧化铝球载体表面包裹一层较为均匀光滑的锐钛矿相TiO_2,该晶相对紫外光源吸收率更高。并考察涂覆方式、光源、甲苯进气浓度、停留时间、相对湿度等因素对涂覆型TiO_2光催化性能的影响。试验发现,在相同条件下,涂覆型TiO_2比喷涂型TiO_2去除甲苯效率高20%左右。且在光源为254nm,甲苯进气浓度43mg/m~3,停留时间117s,相对湿度70%条件下,涂覆型TiO_2对甲苯去除率可高达80%左右。     

TiO_2的光催化性能研究

利用第一性原理计算方法主要对非金属掺杂TiO_2可见光光催化活性进行了研究,揭示了非金属掺杂TiO_2在可见光条件下催化活性提高的本质规律。就目前为止,非金属掺杂TiO_2吸收可见光的原因主要归结为以下几点:(1)非金属掺杂引起能带变窄,从而降低光子跃迁能隙,产生可见光红移现象;(2)掺杂元素在TiO_2带隙中引入一部分间隙态,充当光子跃迁的过渡能级,减少光子吸收能量;(3)掺杂促使TiO_2产生结晶化,加大TiO_2颗粒的表面积,从而提高其催化活性。     

La掺杂改性TiO_2粉体的制备及其光催化性能研究

用溶胶-凝胶法制备了La掺杂改性TiO_2。通过X射线衍射、红外光谱和热重对制备的光催化剂进行了表征,用制备的催化剂对甲基橙模拟废水进行了光催化降解实验。结果表明:La成功掺入TiO_2中,La-TiO_2和TiO_2均属于锐钛矿TiO_2晶型,在本实验条件下,La掺杂改性TiO_2对甲基橙的降解率明显高于纯TiO_2。     

钒铁掺杂TiO_2微球的制备及其光催化性能研究

采用水热法在不使用模板剂的条件下合成了在水中分散良好、粒径为300～800nm、规则的锐钛矿型TiO2微球.用NH4VO3和FeC2O4按原子分数为0%、0.8%、1.6%、2.4%进行V5+、Fe3+掺杂;当TiO2质量浓度为0.134g/L、pH值为9时进行可见光降解20mg/L亚甲基蓝实验.结果表明,V掺杂的降解效果与P25粉接近,Fe掺杂有抑制光催化的效果,钒铁共掺杂则呈现出短期降解能力优于未掺杂微球,并且比P25粉沉淀得更彻底、更迅速.通过XRD、FTIR、SEM分析发现,TiO2微球是由粒径约为10nm的晶粒组成,V5+进入TiO2的晶格,Fe3+则以QFe2O3形式存在于微球中.     

Cu~(2+)掺杂TiO_2的制备及光催化性能

以钛酸丁酯为原料,以硝酸铜为铜源,利用溶胶-凝胶法原位制备铜离子掺杂TiO_2。考察催化剂降解亚甲基蓝的光催化性能,利用X射线衍射、紫外-可见漫反射吸收光谱对其晶相结构与光响应性能进行表征。结果表明:焙烧温度为450℃,铜掺杂量为0.6%(摩尔分数)时,Cu~(2+)/TiO_2催化性能最佳。紫外光照射80min后,亚甲基蓝的降解率达到96.4%,为纯TiO_2的1.41倍。TiO_2的活性相为锐钛矿,金红石相出现时光催化活性降低。少量Cu~(2+)的修饰降低了TiO_2的平均晶粒半径,显著增强了TiO_2的光响应性能。     

CO_2在铜掺杂的TiO_2纳米管中的光催化还原研究

分别通过阳极氧化法和电沉积法制备了TiO_2纳米管及铜掺杂的TiO_2纳米管(CuxOy/TiO_2纳米管)复合材料。利用X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜和X射线能谱分析等手段对材料进行表征。结果表明:用阳极氧化法制备的TiO_2纳米管为锐钛矿型,平均管直径为90~110nm,平均管长为300nm左右;采用电沉积法制备的CuxOy/TiO_2纳米管中铜以CuO的形式存在。在密封悬挂式光催化系统中,研究不同浓度CuSO_4电镀液制备的CuO/TiO_2纳米管对CO_2的光催化还原行为。在500W氙灯光照的条件下,TiO_2纳米管和CuO/TiO_2纳米管还原CO_2的产物是CO和CH_4;TiO_2纳米管在光照6h时,CH_4的产率达到1.3×10~(-6)/(cm~2·h),而0.04mol/L CuSO4电镀液制备的CuO/TiO_2纳米管在同样条件下,CH_4的产量达到3.7×10~(-6)/(cm~2·h)。这说明CuO/TiO_2纳米管显著提高了CO_2的光催化还原效率。     

水热法制备稀土掺杂TiO_2薄膜及光催化降解性能研究

采用水热法,以载玻片为基片制备了稀土掺杂Ti O2薄膜。以紫外光区吸光度值为指标,确定最佳制备条件为:90℃保温2h,Ti(SO4)2溶液和尿素溶液摩尔比为10∶1,稀土掺杂量为1 mL0.5 mol/L稀土盐溶液,掺杂稀土镧Ti O2薄膜有较好的光吸收性能。利用X-射线粉末衍射法(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及电子能谱法(EDS)对Ti O2薄膜的结构及表面特性进行表征,结果表明制备的稀土掺杂Ti O2薄膜为锐钛矿型。以紫外灯为光源,降解率为指标,罗丹明B溶液降解为模型反应,考察稀土掺杂Ti O2薄膜光催化性能,结果表明,稀土掺杂Ti O2薄膜具有较高光催化活性且明显大于纯Ti O薄膜,该薄膜对罗丹明B的光催化降解率达87%以上。