钴、镍掺杂二氧化钛纳米材料的制备及其光催化性能研究

发布时间：2017-07-26 08:11

  本文关键词：钴、镍掺杂二氧化钛纳米材料的制备及其光催化性能研究

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【摘要】：近年来,随着工业的发展和新兴行业的迅速崛起,环境问题和能源危机也愈发严重,这给社会安定带来了巨大隐患,因而寻求成本低、安全性高、绿色环保、高效的新材料是可持续发展的必然趋势。在室温下,二氧化钛纳米材料利用太阳光就能将有机污染物降解,通过一系列的化学反应将污染物转化成无污染的物质,因而二氧化钛在水体净化、空气净化和自清洁等领域有良好的应用前景。虽然二氧化钛在光催化技术中有诸多优势,但是也存在禁带宽、对自然光的利用率低、吸收光阈值高等缺点,因此对二氧化钛纳米材料进行改性成为必然。本文针对以上问题,通过调整制备工艺和改性掺杂等方法来提高二氧化钛的光催化活性,主要研究内容如下:(1)利用共沉淀法结合水热煅烧法制备出纳米尺寸的二氧化钛。通过单因素实验研究水热反应时间、水热反应温度、煅烧时间和煅烧温度等因素对二氧化钛光催化活性的影响。通过正交实验选择出最佳工艺条件,并研究水热时氢氧化钠浓度对亚甲基蓝降解率的影响。实验结果表明,最佳工艺条件为:水热反应时间12h,水热反应温度150℃,煅烧时间4h,煅烧温度500℃,NaOH溶液浓度10mol/L,在此条件下合成出的样品光催化活性最高,对亚甲基蓝的降解率达90.39%。(2)在最佳工艺条件下,利用同样的方法合成出钴离子掺杂和镍离子掺杂的二氧化钛纳米材料,通过光催化实验测定金属离子掺杂量对亚甲基蓝降解率的影响。通过XRD、SEM、TEM和EDS表征分析样品的晶型、粒径大小、微观形貌结构和所含元素。实验结果表明:在钴离子掺杂的样品中,1%Co-TiO_2对亚甲基蓝降解率最高(95.05%),比纯二氧化钛高4.66%;在镍离子掺杂的样品中,2%Ni-TiO_2对亚甲基蓝降解率最高(98.72%),比纯二氧化钛高8.33%。XRD结果表明,在最佳工艺条件下合成的纯TiO_2、Co-TiO_2和Ni-TiO_2均是单一的锐钛矿相。从TEM图中可以看到Co-TiO_2和Ni-TiO_2的形貌为片状,大部分粒子尺寸为15-25nm。由EDS分析可以确定钴离子、镍离子已成功掺入到二氧化钛晶格之中。(3)在最佳工艺条件下合成Co/Ni-TiO_2,研究不同钴离子和镍离子掺杂量对TiO_2光催化性能的影响,并通过XRD、SEM和TEM对样品进行表征分析。实验结果表明:适量的钴离子、镍离子共掺杂可以提高二氧化钛的光催化性能,1.4%Co-2%Ni-TiO_2的光催化活性最高,对亚甲基蓝的降解率达96.81%,比纯二氧化钛高6.42%。由XRD衍射图像和衍射环可以推断Co/Ni-TiO_2是锐钛矿相,(101)晶面衍射峰尖锐,样品结晶性好。从SEM和TEM图中可以看到样品粒径大多数在15-25nm之间,微观形貌结构为片状。
【关键词】：二氧化钛 掺杂改性 光催化 亚甲基蓝
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11;O643.36
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 引言12-13
• 1.2 二氧化钛简介13-15
• 1.2.1 二氧化钛的晶体结构13-14
• 1.2.2 二氧化钛的性质14-15
• 1.3 纳米材料15-16
• 1.3.1 纳米技术与纳米材料15-16
• 1.3.2 纳米材料的现状及发展16
• 1.4 二氧化钛的制备方法16-20
• 1.4.1 溶胶凝胶法17
• 1.4.2 共沉淀法17-18
• 1.4.3 水热合成法18-19
• 1.4.4 模板法19
• 1.4.5 阳极氧化法19-20
• 1.5 二氧化钛的实际应用20-25
• 1.5.1 二氧化钛光催化原理20-22
• 1.5.2 污水处理22
• 1.5.3 染料敏化电池22-23
• 1.5.4 防雾自清洁23-24
• 1.5.5 净化空气24
• 1.5.6 化妆品24-25
• 1.6 二氧化钛的改性25-27
• 1.6.1 金属离子掺杂25-26
• 1.6.2 非金属离子掺杂26
• 1.6.3 共掺杂改性26-27
• 1.7 正交实验27
• 1.8 本论文研究的意义与工作内容27-28
• 第2章 实验材料及表征方法28-32
• 2.1 实验设备及药品28-29
• 2.1.1 实验设备28-29
• 2.1.2 实验药品29
• 2.2 纳米材料的制备过程29-30
• 2.3 光催化性能测试方法30
• 2.4 材料表征方法30-32
• 2.4.1 透射电子显微镜（TEM）30-31
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）31
• 2.4.3 X射线衍射仪（XRD）31
• 2.4.4 能谱仪（EDS）31-32
• 第3章 纯TiO_2的光催化性能32-48
• 3.1 实验设计32
• 3.2 纯TiO_2纳米材料的制备32-33
• 3.3 影响TiO_2光催化活性的因素33-41
• 3.3.1 水热反应时间的影响33-35
• 3.3.2 水热反应温度的影响35-37
• 3.3.3 煅烧时间的影响37-39
• 3.3.4 煅烧温度的影响39-41
• 3.4 正交实验41-44
• 3.5 水热时碱性介质浓度的选择44-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第4章 Co-TiO_2和Ni-TiO_2的光催化性能48-61
• 4.1 实验设计48
• 4.2 Co-TiO_2和Ni-TiO_2的制备48-49
• 4.3 Co-TiO_2和Ni-TiO_2的光催化性能49-53
• 4.4 Co-TiO_2和Ni-TiO_2的表征53-60
• 4.4.1 X射线衍射分析53-55
• 4.4.2 扫描电镜分析55-56
• 4.4.3 透射电镜分析56-58
• 4.4.4 能谱分析58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 Co/Ni-TiO_2的光催化性能61-70
• 5.1 实验设计61
• 5.2 Co/Ni-TiO_2的制备61-62
• 5.3 Co/Ni-TiO_2的光催化性能62-64
• 5.4 不同掺杂浓度下TiO_2的光催化性能比较64-66
• 5.5 Co/Ni-TiO_2的表征66-69
• 5.5.1 X射线衍射分析66-67
• 5.5.2 扫描电镜分析67-68
• 5.5.3 透射电镜分析68-69
• 5.6 本章小结69-70
• 第6章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-79
• 致谢79

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