稀土掺杂纳米TiO_2制备、结构与光催化性能

发布时间：2017-04-24 12:03

  本文关键词：稀土掺杂纳米TiO_2制备、结构与光催化性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在环境保护应用方面,因纳米TiO2光催化半导体材料清洁且无二次污染已成为广大学者研究的热点。但因纳米TiO2禁带宽度大,限制了它的广泛应用,为此许多学者对纳米TiO2的改性进行了诸多研究。由于稀土能级比较丰富,本研究采用溶胶-凝胶法制备了稀土Sm3+、Y3+、Pr3+、Gd3+的单掺杂和Sm-Gd、Sm-Y共掺杂纳米TiO2光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物。采用现代测试技术如TG-DTA、XRD、UV-Vis、TEM、IR等研究样品组成、结构与性能关系。采用正交实验研究光催化环境对催化效率的影响,探讨稀土掺杂提高纳米Ti02的光催化机理,研究了掺杂纳米TiO2光催化反应动力学。 在Sm3+掺杂纳米TiO2研究中,采用溶胶-凝胶法制备Sm3+掺杂纳米TiO2光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,通过正交实验法和现代测试技术,探讨热处理温度、稀土掺杂量、光催化实验环境、晶体微观结构等对TiO2光催化性能的影响。结合TG-DTA和XRD分析确定本文光催化剂热处理方法是在520℃处保温2h,Sm3+掺杂TiO2平均晶粒尺寸均小于未掺杂TiO2,未掺杂TiO2平均粒径为22.01nm。正交实验表明,影响Sm3+掺杂TiO2光催化性能主次因素是：亚甲基蓝溶液的初始浓度溶液的pH值催化剂的加入量,通过极差分析确定最佳光催化实验外部环境为：0.25g(催化剂)/50m1(MB溶液)、pH=8、MB初始浓度=5mg/L。随Sm3+掺杂量的增加,降解率先增加后降低,最佳掺杂量为0.1m01%的S3样品降解率高达95.16%,该光催化降解反应符合一级动力学方程。随着掺杂量的变化,Sm3+掺杂纳米TiO2晶格出现不同程度的畸变和对紫外-可见光的吸收边发生不同程度的红移,其中S3红移量最大为20nm。TEM分析表明,纯相及S3样品颗粒均为球形,平均粒径约为20nm,出现团聚现象,主晶相为四方晶系的锐钛矿与XRD分析一致。部分Sm3+离子进入TiO2晶格导致其晶格畸变和部分Sm3+离子以Sm2O3的形式富集在TiO2颗粒表面,形成表面光敏化结构。 在Y3+掺杂纳米Ti02研究中,采用溶胶-凝胶法制备Y3+掺杂纳米TiO2光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,通过正交实验法和现代测试技术,探讨稀土掺杂量、光催化实验环境、晶体微观结构等对TiO2光催化性能的影响。Y3+掺杂TiO2平均晶粒尺寸均小于未掺杂TiO2,未掺杂TiO2平均粒径为22.01nm。正交实验表明,影响Y3+掺杂TiO光催化性能主次因素是：业甲基蓝溶液的初始浓度催化剂的加入量溶液的pH值,通过极差分析确定最佳光催化实验外部环境为：0.25g(催化剂)/50m1(MB溶液)、pH=8、MB初始浓度=5mg/L与Sm3+掺杂实验一致。随Y3+掺杂量的增加,降解率先增加后降低,最佳掺杂量为0.2m01%的Y3样品降解率为90.68%,该光催化降解反应符合一级动力学方程。随着掺杂量的变化,Y3+掺杂纳米TiO2晶格出现不同程度的畸变和对紫外-可见光的吸收边发生不同程度的红移,其中Y3红移量最大为18nm。TEM分析表明,Y3样品颗粒均为球形,平均粒径约为20nm,出现团聚现象,主相为四方晶系的锐钛矿与XRD分析一致。部分Y3+离子进入TiO2晶格间隙和部分取代TiO2晶格中Ti4-位置导致TiO2晶格条纹产生畸变。 在Pr3+掺杂纳米TiO2研究中,采用溶胶-凝胶法制备Pr3+掺杂纳米TiO2光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,通过现代测试技术,探讨稀土掺杂量、晶体微观结构等对TiO2光催化性能的影响。Pr3+掺杂TiO2平均晶粒尺寸均小于未掺杂TiO2,未掺杂TiO2平均粒径为22.01nm。随Pr3+掺杂量的增加,降解率先增加后降低,最佳掺杂量为0.05m01%的P3样品降解率为91.16%,该光催化降解反应符合一级动力学方程。随着掺杂量的变化,Pr3+掺杂纳米Ti02晶格出现不同程度的畸变和对紫外-可见光的吸收边发生不同程度的红移,其中P3红移量最大为17nm。TEM分析表明,P3样品颗粒均为球形,平均粒径约为20-30nm,出现团聚现象,主相为四方晶系的锐钛矿与XRD分析一致。部分Pr3+离子进入Ti02晶格导致晶格条纹畸变和部分以Pr203的形式存在于Ti02颗粒表面,形成表面光敏化结构。 在Gd3+掺杂纳米TiO2研究中,采用溶胶-凝胶法制备Gd3+掺杂纳米Ti02光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,通过现代测试技术,探讨稀土掺杂量、晶体微观结构等对TiO2光催化性能的影响。Gd3+掺杂TiO2平均晶粒尺寸均小于未掺杂TiO2,未掺杂TiO2平均粒径为22.01nm。随Gd3+掺杂量的增加,降解率先增加后降低,最佳掺杂量为0.1mol%的G3样品降解率为94.51%,该光催化降解反应符合一级动力学方程。随着掺杂量的变化,Gd3+掺杂纳米TiO2晶格出现不同程度的畸变和对紫外-可见光的吸收边发生不同程度的红移,其中G3红移量最大为20nm。TEM分析表明,本研究制备的G3样品颗粒均为球形,平均粒径约为20-30nm,出现团聚现象,主相为四方晶系的锐钛矿与XRD分析一致。部分Gd3+离子进入TiO2晶格导致晶格条纹畸变。 在共掺杂纳米TiO2研究中,采用溶胶-凝胶法制备Sm-Gd和Sm-Y共掺杂纳米TiO2光催化剂,以亚甲基蓝溶液为目标降解物,通过现代测试技术,探讨掺杂方式、晶体微观结构等对TiO2光催化性能的影响。XRD分析表明,共掺杂Ti02均为锐钛矿,纯相Ti02的平均直径为22.01nm,共掺杂样品的平均直径均小于纯相TiO2,稀土共掺使TiO2晶格发生畸变,Sm-Gd使TiO2晶胞发生膨胀,Sm-Gd使TiO2晶胞减小。光催化实验研究表明：Sm-Gd和Sm-Y共掺杂TiO2的光降解反应在光催化剂表面进行,且光催化效率高。 稀土单掺杂提高TiO2光催化机理是：稀土进入Ti02晶格导致晶格畸变和稀土以氧化物的形式附着在TiO2颗粒表面形成表面敏化结构。稀土进入TiO2晶格的方式有,部分Sm3+、Yn、Pr3+、Gd3+进入Ti02晶格间隙和部分Y3+取代Ti02晶格中的Ti4+。稀土进入Ti02晶格取代Ti4+导致Ti02晶格中将缺少一个电子,为了达到电荷平衡,必然在近邻形成氧空位,该空位被稀土离子所束缚,同时其它O2+因受到微扰也进行相应移动。掺入的稀土离子易形成浅受主能级即在费米能级附近产生新的杂质能级,捕获电子空穴,延长光生电子-空穴对的复合时间,提高TiO2的光量子效率。稀土元素具有f电子,对有机污染物有较强的吸附作用,部分Sm2O3和Pr2O3富集在TiO2表面,提高TiO2表面的吸附能力,从而提高TiO2光催化效率。 稀土共掺杂提高TiO2光催化机理是：在Sm-Gd共掺杂研究中,Sm3+附着在TiO2颗粒表面形成光敏化结构,增加TiO2对有机物的吸附作用,同时Sm3+主要吸收光谱是362.5nm、374.5nm、402.0nm,因此Sm3+将吸收的可见光传递给TiO2提高对光量子的利用率。Gd3+进入TiO2晶格内导致晶格畸变,易形成浅受主能级即在费米能级附近产生新的杂质能级,捕获电子空穴,延长光生电子-空穴对的复合时间,提高TiO2的光量子效率。在Sm-Y共掺杂研究中,由于Sm3+和Y3+附着在TiO2颗粒表面,阻碍TiO2晶体生长,晶格因晶胞体积变小发生畸变而产生捕获光生电子或空穴的陷阱,降低光生空穴与空穴复合几率。另一方面Sm3+和Y3+将吸收的光量子传递给TiO2增加晶体内光生电子或空穴数量和稀土使TiO2颗粒对有机物吸附作用变强。因此该共掺杂光催化剂能在较短时间内完成对亚甲基蓝的降解。
【关键词】：纳米TiO_2 Sm~(3+)掺杂 Y~(3+)掺杂 Gd~(3+)掺杂 Pr~(3+)掺杂 Sm-Y共掺杂 Sm-Gd共掺杂 结构与光催化性能关系 UV-Vis吸收谱
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O614.411
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-34
• 1.1 本课题研究的目的及意义15-16
• 1.2 TiO_2的结构、光催化机理及其应用16-23
• 1.2.1 TiO_2的结构特性16-18
• 1.2.2 TiO_2光催化机理18-21
• 1.2.3 TiO_2的光催化应用21-23
• 1.3 TiO_2光催化剂的国内外研究现状及发展趋势23-30
• 1.3.1 纳米TiO_2的制备方法23-24
• 1.3.2 TiO_2光催化活性的影响因素24-28
• 1.3.3 拓宽纳米TiO_2可见光响应范围的途径28-30
• 1.4 TiO_2光催化剂结构与性能表征30-31
• 1.4.1 差热-热重分析(TG-DTA)30
• 1.4.2 X射线衍射分析30-31
• 1.4.3 透射电子显微镜分析31
• 1.4.4 紫外-可见光光谱31
• 1.4.5 红外光谱分析31
• 1.5 实验所用药品及仪器31-32
• 1.5.1 实验药品31-32
• 1.5.2 实验所用仪器32
• 1.6 本课题研究的主要内容32-34
• 第2章 Sm~(3+)掺杂纳米TiO_2的研究34-57
• 2.1 实验34-37
• 2.1.1 实验方案的确定34
• 2.1.2 Sm~(3+)掺杂TiO_2的制备34-35
• 2.1.3 光催化活性评价实验35-37
• 2.2 结果分析与讨论37-55
• 2.2.1 TG-DTA分析37-38
• 2.2.2 光催化环境研究38-41
• 2.2.3 相组成分析41-43
• 2.2.4 UV-Vis吸收光谱分析43-45
• 2.2.5 红外光谱分析45
• 2.2.6 TEM分析45-49
• 2.2.7 影响光催化活性的因素49-54
• 2.2.8 光催化反应动力学研究54-55
• 2.2.9 Sm~(3+)掺杂提高TiO_2光催化效率机理讨论55
• 2.3 本章小结55-57
• 第3章 Y~(3+)掺杂纳米TiO_2的研究57-70
• 3.1 实验57
• 3.1.1 Y~(3+)掺杂TiO_2的制备57
• 3.2 结果分析与讨论57-69
• 3.2.1 光催化环境研究58-60
• 3.2.2 相组成分析60-62
• 3.2.3 UV-Vis吸收谱分析62-63
• 3.2.4 TEM分析63-65
• 3.2.5 影响光催化活性的因素65-67
• 3.2.6 光催化反应动力学研究67-68
• 3.2.7 Y~(3+)掺杂提高TiO_2光催化效率机理讨论68-69
• 3.3 本章小结69-70
• 第4章 Pr~(3+)掺杂纳米TiO_2的研究70-80
• 4.1 实验70
• 4.1.1 Pr~(3+)掺杂TiO_2的制备70
• 4.2 结果分析与讨论70-78
• 4.2.1 相组成分析70-72
• 4.2.2 UV-Vis吸收谱分析72-73
• 4.2.3 TEM分析73-75
• 4.2.4 影响光催化活性的因素75-76
• 4.2.5 光催化反应动力学研究76-77
• 4.2.6 Pr~(3+)掺杂提高TiO_2光催化效率机理讨论77-78
• 4.3 本章小结78-80
• 第5章 Gd~(3+)掺杂纳米TiO_2的研究80-90
• 5.1 实验80
• 5.1.1 实验方案的确定80
• 5.2 结果分析与讨论80-88
• 5.2.1 相组成分析80-82
• 5.2.2 UV-Vis吸收谱分析82-83
• 5.2.3 TEM分析83-85
• 5.2.4 影响光催化活性的因素85-86
• 5.2.5 光催化反应动力学研究86-87
• 5.2.6 Gd~(3+)掺杂提高TiO_2光催化效率机理讨论87-88
• 5.3 本章小结88-90
• 第6章 共掺杂掺杂纳米TiO_2的研究90-97
• 6.1 实验90-91
• 6.1.1 共掺杂实验方案的确定90
• 6.1.2 共掺杂TiO_2的制备90-91
• 6.1.3 光催化活性评价实验91
• 6.2 结果分析与讨论91-96
• 6.2.1 相组成分析91-93
• 6.2.2 光催化实验93-95
• 6.2.3 共掺杂光催化活性提高的机理探讨95-96
• 6.3 本章小结96-97
• 第7章 全文结论及展望97-101
• 7.1 全文结论97-99
• 7.2 创新点99
• 7.3 下一步工作建议99-101
• 参考文献101-108
• 致谢108-109
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目109

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 付纪文,周月,陈建峰,邵磊;纳米二氧化钛光催化降解亮蓝染料的研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2005年04期

2 赵斯琴;郭敏;张梅;王习东;长山;;Y~(3+)和Eu~(3+)离子共掺杂TiO_2纳米材料的制备及其光催化性能[J];北京科技大学学报;2010年03期

3 高远,徐安武,祝静艳,刘汉钦;RE/TiO_2用于NO_2~-光催化氧化的研究[J];催化学报;2001年01期

4 李慧泉,李越湘,周新木,彭绍琴;Sm_2O_3掺杂TiO_2光催化剂的制备和性能[J];催化学报;2004年10期

5 孙奉玉,吴鸣,李文钊,李新勇,顾婉贞,王复东;二氧化钛表面光学特性与光催化活性的关系[J];催化学报;1998年02期

6 李娟红;雷闫盈;王小刚;;半导体TiO_2纳米微粒膜光催化杀菌机理与性能的研究[J];材料工程;2006年S1期

7 胡娟,邓建刚,何水样,畅柱国,赵建社,刘建宁;纳米级二氧化钛制备方法的比较研究[J];材料科学与工程;2001年04期

8 魏志钢;潘湛昌;徐阁;文梦葵;邹燕娣;钟雪春;;Gd掺杂锐钛矿型二氧化钛的第一性原理研究[J];材料科学与工程学报;2011年02期

9 周建军;崔海萍;闫军;;无机阴离子掺杂TiO_2薄膜光催化性能及红外光谱分析[J];信息记录材料;2006年06期

10 高强,王春梅,季涛;活性碳纤维净化室内空气的研究[J];产业用纺织品;2000年10期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 周小松;硼、氮掺杂二氧化钛催化剂制备、表征及可见光性能研究[D];华南理工大学;2011年

2 刘秀华;金属离子掺杂二氧化钛光催化剂的改性研究[D];中国工程物理研究院;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 刘艳辉;纳米二氧化钛抗菌性能研究[D];北京化工大学;2005年

2 陈剑雄;稀土掺杂二氧化钛的制备及其光催化性能研究[D];福州大学;2005年

3 常娜;二氧化钛薄膜的制备及光催化活性的研究[D];西北大学;2005年

4 田越;掺杂改性氧化钛光催化薄膜的研究[D];武汉理工大学;2008年

5 闫晔;纳米二氧化钛光催化降解含酚废水的研究[D];北京化工大学;2008年

6 叶韦韦;具有可见光激发响应的纳米TiO_2光催化材料的研究[D];武汉理工大学;2010年

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