火焰CVD法制备氮掺杂纳米二氧化钛及其光催化和电化学性能研究

发布时间：2018-04-10 04:38

本文选题：纳米TiO_2颗粒　切入点：氮掺杂　出处：《上海师范大学》2011年硕士论文

【摘要】：光催化纳米材料在环境污染、太阳能、自清洁等领域具有十分广阔的应用前景从而吸引了众多科学家对其结构、性质和应用进行了深入的探索。其中以二氧化钛(TiO_2)为代表的光催化剂因其成本低、化学稳定性强、安全无毒、无二次污染等优点成为光催化领域研究的热点。但是由于TiO_2的能隙为3.2 eV,只能利用仅占太阳光能5%的紫外线部分,因此TiO_2利用太阳光的效率受到很大限制。通过对TiO_2掺杂改性,是使其活性范围由紫外光区向可见光区扩展,已成为近几年来的研究重点。非金属离子掺杂由于其较好的可见光响应引起了许多科研工作者的关注。氮掺杂TiO_2的研究是非金属离子掺杂研究较多、也是被认为是降低二氧化钛能带效果较好的一种方法。本文以氨气为氮源、TiCl_4为TiO_2前驱体,采用火焰化学气相沉积(FCVD)法,在丙烷/空气湍流火焰中氧化制备氮掺杂纳米二氧化钛(TiO_2)颗粒,由此制得产物的突出特性是工业化程度高、反应速度快、能耗低、产物不需要进行后处理等优点。采用XRD、TEM、UV-Vis、XPS等多种表征手段对制得产物进行了表征,以染料为目标污染物,系统评价了自制光催化剂在紫外、可见光照条件下的光催化活性及其在生物传感器中的应用。内容主要分以下三个部分: (1)将FCVD法(一步合成法)制备的掺氮TiO_2纳米颗粒与FCVD/高温烧结法(两步合成法)制备的氮掺杂TiO_2纳米颗粒之间的相关性质进行比较。TiO_2中金红石结构的多少直接影响光催化效果,当金红石含量在40%左右有最佳的光催化效果;XRD结果表明随着温度的升高,金红石的含量也升高,因此煅烧温度为450#61616;C时为最佳温度。用紫外-可见吸收光谱进行表征,结合元素分析法结果表明:与煅烧法相比,相同氨气流量下火焰CVD法制备氮掺杂纳米TiO_2的N掺杂量高、可见光吸收强。 (2) TiO_2中掺氮量的多少直接影响光催化剂在可见光下的催化效果。调整氨气的流量,用FCVD法制备出不同含氮量的TiO_2纳米颗粒,并在紫外/可见光照射下对罗丹明B进行降解,研究结果表明:和纯TiO_2相比较,所制得的掺氮TiO_2在400nm-500nm的可见光范围内有一条新的吸收带,且随着氮含量的增加,样品对可见光的吸收强度逐渐加强,相应的能带值逐渐下降,主要原因是可能是氮掺杂形成的氧空位导致二氧化钛禁带宽度变窄。在可见光照射下,掺氮TiO_2的光催化效率达到75.16%,远远大于商用P25在可见光下对罗丹明B的催化效率(22.91%)。 (3)将纳米二氧化钛(TiO_2)和辣根过氧化物酶(HRP)固定在玻碳电极上制备生物传感器,对其电化学性能进行研究。用紫外-可见吸收光谱进行表征,结合循环伏安测试的结果表明:TiO_2发挥了自身优秀的生物相容性和电子传递性的特点,吸附在该纳米结构上的HRP保持了良好的生物活性,并实现了直接电子转移。进一步研究可知该生物传感器对H_2O_2具有良好的生物催化活性,H_2O_2检测的线性范围为2.0×10~(-6)至1.5×10~(-5) mol L-1,检测限为2.0×10~(-7) mol L-1 (信噪比S/N = 3)。米氏常数( )为0.0452 mmol L-1。
[Abstract]:TiO _ 2 - doped TiO _ 2 is characterized by its low cost , strong chemical stability , safe and non - toxic and no secondary pollution .

( 1 ) The correlation properties of the nitrogen - doped TiO _ 2 nanoparticles prepared by the FCVD method ( one - step synthesis method ) and the nitrogen - doped TiO _ 2 nanoparticles prepared by the FCVD / high - temperature sintering method ( two - step synthesis method ) were compared . The results showed that the rutile content increased with the increase of temperature .

( 2 ) The photocatalytic efficiency of the photocatalyst under visible light was directly influenced by the amount of nitrogen doped in TiO _ 2 . The results showed that the TiO _ 2 doped TiO _ 2 had a new absorption band in the visible range of 400 nm to 500 nm . The results showed that the photocatalytic efficiency of TiO _ 2 doped TiO _ 2 was 75.16 % under visible light irradiation , which was much higher than the catalytic efficiency ( 22.91 % ) under visible light .

A biological sensor was prepared by immobilizing the nano - TiO _ 2 and horseradish peroxidase ( HRP ) on glassy carbon electrode . It was characterized by ultraviolet - visible absorption spectroscopy . The results showed that TiO _ 2 exhibited excellent biocompatibility and electron transfer characteristics . The linear range of H _ 2O _ 2 was 2.0 脳 10 ~ ( -6 ) ~ 1.5 脳 10 ~ ( -5 ) mol 路 L - 1 , and the detection limit was 2.0 脳 10 ~ ( -7 ) mol L - 1 ( S / N = 3 ) . 0.0452 mmol L-1.

【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：O614.411;O643.36

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