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。     

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。     

能量过滤磁控溅射制备TiO_2薄膜的光催化性能研究

利用能量过滤磁控溅射(EFMS)技术制备了TiO_2薄膜,并利用X射线衍射、扫描电镜和紫外-可见分光光度计分析了薄膜的结构、形貌和对RhB溶液的光催化效率。研究表明:与直流磁控溅射技术相比,EFMS技术制备的TiO_2薄膜的晶粒尺寸更小,表面更加平整,紫外光照射2 h后,其光催化效率提高了1.5倍。     

电泳法制备纳米TiO_2薄膜光催化性能的研究

采用电泳法在导电玻璃上镀纳米TiO2薄膜,制得的TiO2薄膜经高温烧结后进行光降解实验。通过XRD、SEM、DTA、EDS等测试分析,确定了超细微粒TiO2的外观形貌和结构特征。实验结果表明,该法制得的TiO2薄膜具有一定的厚度、均匀平整、粗糙度好。极性溶剂种类、胶体浓度、电泳电压、电泳时间、镀膜次数及掺杂离子等影响电泳成膜质量及膜对甲基橙溶液的光降解效果。     

陶瓷表面TiO_2薄膜的制备及光催化性能研究

采用化学溶胶-凝胶法制备TiO2溶胶,用浸渍-提拉方式在陶瓷表面制成锐钛矿相TiO2薄膜。用X射线衍射法(XRD)确定了晶型及晶粒的大小;用光电子能谱测定了其微观成分及其含量;考察了7种过渡金属离子掺杂后对甲基橙降解的光催化性能的影响及其变化规律,并对陶瓷和玻璃的光催化活性进行了比较。实验结果表明:掺杂Mn及Ni离子对于提高TiO2薄膜的光催化活性有明显的促进作用,降解30min后,降解率分别达到79.7%,80.8%。瓷片和玻璃的光催化活性要视掺杂的金属离子而定,不同的掺杂离子对瓷片和玻璃的光催化活性有不同的作用效果。     

Au/TiO_2薄膜的制备及等离子体光催化性能研究

以TiO_2薄膜为载体,采用真空镀金和退火法制备了载金(Au)TiO_2(Au/TiO_2)薄膜光催化材料,并对制得的Au/TiO_2薄膜光催化材料进行了测试。研究结果表明:Au/TiO_2薄膜表面形貌呈岛状分布,薄膜表面Au层厚度20~80nm,相比TiO_2薄膜,Au/TiO_2薄膜在全光谱下具有更高的催化活性,在300W氙灯光源,亚甲基蓝(MB)水溶液初始浓度为20mg/L,降解时间为4h条件下,Au/TiO_2薄膜对MB的降解率最大达到94%,具有较好的降解性能。     

银修饰氮掺杂TiO_2薄膜的制备及光催化性能研究

TiO2具有光催化活性,因而被广泛应用于废水处理、空气净化、尾气处理等领域。研究表明,经掺杂的TiO2薄膜具有更优异的光催化活性。在众多的可掺杂元素中,N和Ag具有独特的性能特征,因此其可使TiO2薄膜的光催化活性得到较大提升。本文使用直流磁控溅射法和拼靶工艺制备了不同Ag含量的银修饰掺氮TiO2薄膜,并分析了薄膜的形貌结构、表面元素化学态、光学性能和可见光催化活性。研究表明:薄膜沉积过程中Ag含量对薄膜性能影响较大。在TiO2的表面,颗粒细小而均匀。随着Ag含量的增加,薄膜表面出现凸起颗粒,为Ag2O颗粒,且其尺寸逐渐增大;薄膜对350~800 nm波段光的吸收增强。当Ag含量为6.76%(原子比)时,薄膜具有最高的可见光催化活性。     

磷钨酸修饰的纳米TiO_2薄膜的制备及光催化性能

以钛酸四丁酯为前驱物,乙酸为溶剂,用溶胶-凝胶法制备了磷钨酸修饰的纳米TiO2薄膜(PW12/TiO2)。通过FT-IR、UV-Vis、XRD、BET、SEM进行了表征。结果表明,磷钨酸修饰的纳米TiO2具有锐钛矿晶型和较大的比表面积,磷钨酸在TiO2中仍保持Keggin结构,并抑制了粒子烧结过程中的长大。研究了PW12/TiO2薄膜在对氯苯酚光降解中的催化活性。当磷钨酸与TiO2的摩尔比为0.02∶1,240℃焙烧,PW12/TiO2薄膜的光催化降解反应遵循L-H机理,一级反应速率常数为0.016min-1。磷钨酸与TiO2在光催化反应中有明显的协同作用。     

交联聚两性离子液基材料增强TiO_2光催化性能的研究

在低温下,通过溶胶-凝胶法(Sol-Gel)法成功将TiO_2负载到聚两性离子液体基材料(CPAIL)表面,获得了高性能催化剂CPAIL@TiO_2。通过XRD,SEM,EDS,TEM,FT-IR,TGA,XPS和N2吸脱附(BET)等方法对其结构进行了表征。结果表明,CPAIL@TiO_2为单一纯相锐钛矿结构,包含有40%的TiO_2,且其能够均匀分布在CPAIL@TiO_2中,形成C—O—Ti键。在4次循环后,对甲基橙(MO)和亚甲基蓝(MB)光催化降解程度分别可高达97%和55%,表明CPAIL@TiO_2具有高效的催化性能和循环性能。     

Nd/Y复合掺杂改性纳米TiO_2的制备及光催化性能研究

采用溶胶-凝胶法制备系列Nd/Y-TiO_2催化剂,并在光催化反应器中,以亚甲基蓝降解反应为模型对其催化性能进行了测试。考察了稀土负载量、稀土配合比和活化煅烧时间及温度等制备条件对其催化活性的影响。并在单因素试验的基础上,采用响应面法(RSM)对Nd/Y-TiO_2催化剂制备工艺进行了优化,选取稀土负载量、稀土配比及煅烧温度为随机因子,进行3因素3水平的中心组合实验设计,分析了3个因素对响应值的影响。实验结果表明:当稀土负载量为2.2%,煅烧时间3h,煅烧温度480℃,NdxY(1-x)(x=0.79)时降解效果最好。在催化剂用量0.6g/L,亚甲基蓝浓度5mg/L,40W低压汞灯光源下反应2h时降解率可达94.82%。此外,还用XRD和SEM对催化剂进行了表征。     

玻璃基TiO_2-Fe_2O_3-CeO_2复合纳米薄膜的光催化性能研究

在溶胶-凝胶法制备的TiO2胶膜表面涂覆金属离子,通过焙烧制备TiO2-Fe2O3-CeO2复合纳米薄膜。以甲基橙为目标降解物,讨论过渡金属离子Fe3+和稀土金属离子Ce3+的掺杂对TiO2薄膜光催化活性的影响。采用SEM、XRD、EDS等表征手段对复合氧化物薄膜进行表征。结果表明:所制备的薄膜具有纳米结构;Fe3+、Ce3+单掺和Fe3+/Ce3+共掺均可提高TiO2薄膜的光催化性能,但相同条件下共掺离子的光催化活性更高。     

Fe~(3+)/TiO_2纳米薄膜的亲水性及光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了一系列不同Fe3+含量的Fe3+/Ti O2纳米薄膜,运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外可见分光光度计等手段对Fe3+/Ti O2进行了表征,并利用接触角测量仪考察了Fe3+含量、保存时间以及薄膜层数对亲水性的影响,同时以8 W(λ=254 nm)的UV灯作为光源,评价了各薄膜光催化降解亚甲基蓝的活性.结果表明,当Fe3+质量分数为0.5%时,Ti O2薄膜催化降解染料的活性得到大幅提高,同时也表现出了最好的亲水性,其薄膜表面与水的接触角几乎为0°.     

TiO_2掺杂Ce和La离子薄膜的微结构与光催化性能

在应用溶胶-凝胶法制备TiO2薄膜中,通过钛酸丁酯与结晶硫酸高铈(和三氧化二镧)混合反应,使薄膜中掺杂了一定量的Ce(La)离子。经对甲醛的光催化性能实验以及XRD Rietveld(全谱图拟合)结构分析表明:控制两种元素的加入量和热处理的温度,能够使薄膜的晶体和微结构发生变化,从而使TiO2的催化性能得以大幅度提高。     

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薄膜元件阻变机理的模拟研究

基于密度泛函理论采用第一性原理对Ti8O16、Ti8O15和Ti8O14三种晶体结构进行电子结构的模拟计算。通过模拟结果的分析推断氧空位的作用:氧空位含量较少时,起捕获电子的作用;氧空位含量较多时,起构成导电细丝的作用;可得出Ti O2阻变机理受导电细丝理论和空间电流限制电荷效应控制的推论。参考模拟计算的结果,通过选择不同的反应磁控溅射镀膜工艺,控制薄膜钛氧比进而改变氧空位含量,可获得低阻态受氧空位导电细丝控制的阻变介质层。采用反应磁控溅射法制备以Ti O2薄膜为阻变层的阻变元件并研究其阻变机理,需要大量的实验以优化镀膜工艺参数,而采用计算模拟的方法探讨阻变机理则可以节约材料和时间成本。     

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。     

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。     

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。     

TiO_2纳米纤维的改性及其光催化性能研究

采用单针头静电纺丝技术,结合浓碱水热处理及煅烧过程制备出了具有特殊形貌的一维二氧化钛(TiO2)纳米纤维。通过SEM、BET、XRD和UV-Vis DRS等对其形貌、比表面积、晶型和吸光性能进行了表征。结果表明处理后纳米纤维具有"毛刺"状的特殊形貌,其比表面积随着煅烧温度的升高而降低,得到的TiO2纳米纤维为锐钛矿相。以罗丹明B为降解源,通过1h全波段光照降解实验结果表明,浓碱处理后煅烧温度为500℃时降解率最高,可达94.3%,是未处理TiO2纳米纤维的1.33倍。