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Fe³⁺掺杂纳米TiO₂的制备表征与光催化特性的研究

作　者: 林雪
导　师: 李贵安
学　校: 陕西师范大学
专　业: 光学
关键词: 溶胶-凝胶法二氧化钛铁离子掺杂光催化性能复合样品
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

当前人类面临的主要难题就是环境污染和能源短缺问题。纳米二氧化钛以其光催化活性高、理化性质稳定、无毒以及廉价等优良特性吸引了众多科技工作者的关注,一些科学家将对二氧化钛半导体光催化材料的研究称为“阳光工程”、“光洁净革命”。纳米二氧化钛能够通过光子激发产生的电子(e)和空穴(h+)进一步形成超氧自由基和羟基自由基,这些强氧化产物能将污染物彻底氧化分解且不会造成二次污染。然而纳米二氧化钛存在光谱响应范围窄、量子转化率低、光的利用率低、实际降解过程中难回收等问题,因此限制了它在实际中的应用。所以,如何改善二氧化钛在可见光区域内光谱带宽、提高量子效率成为科研工作的热点。目前常用的方法有控制晶型、贵金属沉积、离子掺杂、染料光敏化以及二元半导体复合等。本文在对纳米二氧化钛(Ti02)光催化机理做详细介绍的基础上,利用溶胶-凝胶法制备出掺杂金属铁离子的纳米二氧化钛(Fe3+-Ti02)复合光催化剂,通过XRD(X射线衍射仪)、SEM(扫描电子显微镜)、TEM(透射电子显微镜)、TG-DTA(热分析系统)和UV-Vis-NIR (紫外-可见-近红外分光光谱仪)等表征方法,研究了Fe3+-Ti02复合光催化剂制备过程的影响因素及其催化活性。本文主要做了以下几个方面的实验和研究：(1)金属离子Fe3+掺杂。采用溶胶-凝胶法制备工艺,以钛酸丁酯为前驱体,以硝酸铁为铁源,无水乙醇作为溶剂,通过浓硝酸来控制反应过程中的PH值,制备了纯纳米Ti02粉末和掺杂不同量Fe3+的Fe3+-Ti02复合光催化剂,研究了反应温度、搅拌速度、Fe3+浓度、焙烧温度及时间等因素对样品光催化性能的影响。结果表明：当PH为3,室温搅拌,35℃恒温烘干,650℃烧结,Fe3+与TiO2的摩尔质量比为5%时,制备样品的形貌较好,并且光吸收带发生明显红移,带宽增加,使得Ti02在可见光的照射下亦能发挥降解作用,从而可提高光催化效率。(2)贵金属Ag掺杂。采用相同方法制备Ag-TiO2复合光催化剂,并利用多种表征手段对Fe3+-Ti02和Ag-TiO2的光催化性能进行对比。结果表明：在控制两种样品反应过程中PH为3、室温搅拌、35℃恒温烘干的条件下,同在600℃烧结时的Ag掺杂的纳米Ti02光催化剂样品的吸收性能要好于Fe3+掺杂。(3)PH值对Fe3+-Ti02纳米复合光催化剂性能的影响。通过浓硝酸和氨水来制造PH值不同的酸性环境和碱性环境,在这两种环境下制备Fe3+-Ti02纳米颗粒,并利用多种测试仪器来观察不同样品的形貌、物相及光吸收性能等。结果表明：在控制两种样品室温下制备、350C恒温烘干、分别在不同温度烧结的条件下,酸性环境下制备的光催化剂样品的形貌更好、吸收性能更强。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-31
  1.1 纳米材料概述  11-15
  1.2 纳米光催化技术的特点  15-19
    1.2.1 纳米光催化技术的研究现状  15-16
    1.2.2 纳米TiO_2的光催化特点  16-19
  1.3 纳米TiO_2的光催化机理  19-23
    1.3.1 纳米TiO_2光催化剂的制备方法介绍  19-20
    1.3.2 纳米TiO_2的光催化机理  20-23
  1.4 纳米TiO_2光催化性能的影响因素  23-29
    1.4.1 晶体结构的影响  23-24
    1.4.2 热处理温度的影响  24
    1.4.3 纳米TiO_2改性对催化剂的影响  24-27
    1.4.4 其它因素的影响  27-29
  1.5 本文的立题依据及主要研究内容  29-31
    1.5.1 本课题的立题依据  29-30
    1.5.2 本课题的主要研究内容  30-31
第2章纳米TiO_2光催化剂的制备与表征  31-39
  2.1 纳米TiO_2光催化剂的制备  31-35
    2.1.1 溶胶-凝胶法的简介  31-32
    2.1.2 纳米TiO_2光催化剂的形成机理  32
    2.1.3 溶胶-凝胶法制备光催化剂的主要影响因素  32-35
  2.2 溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2及Fe~(3+)掺杂的纳米TiO_2  35-38
    2.2.1 主要实验试剂  35
    2.2.2 制备工艺流程  35-38
  2.3 主要的测试仪器及表征方式  38
  2.4 本章小结  38-39
第3章 Fe~(3+)掺杂纳米TiO_2材料的制备与表征  39-47
  3.1 引言  39
  3.2 实验制备过程  39-40
    3.2.1 纳米TiO_2的制备  39
    3.2.2 Fe~(3+)掺杂的纳米TiO_2的制备  39-40
  3.3 样品表征及实验结果  40-45
    3.3.1 X射线衍射仪表征分析  40-41
    3.3.2 SEM、TEM表征分析  41-43
    3.3.3 紫外-可见分光光度计表征分析  43-44
    3.3.4 热分析  44-45
  3.4 本章小结  45-47
第4章改性纳米TiO_2的制备及性能表征  47-59
  4.1 引言  47
  4.2 Ag掺杂的纳米TiO_2和Fe~(3+)掺杂的纳米TiO_2的性能表征对比  47-51
    4.2.1 样品制作过程  47
    4.2.2 样品形貌表征  47-48
    4.2.3 样品不同温度下物相分析  48-49
    4.2.4 样品吸收特性分析  49-51
  4.3 酸催化与碱催化的Fe~(3+)掺杂的纳米TiO_2的性能表征对比  51-55
    4.3.1 样品制作过程  51
    4.3.2 样品形貌表征  51-52
    4.3.3 样品不同温度下物相分析  52-53
    4.3.4 样品吸收特性分析  53-55
  4.4 光催化性能研究  55-58
    4.4.1 甲基橙的光催化降解实验装置及测试  55-56
    4.4.2 光催化降解实验分析  56-58
  4.5 本章结论  58-59
第5章结论与展望  59-61
  5.1 结论  59-60
  5.2 课题展望  60-61
参考文献  61-67
致谢  67-69
攻读硕士学位期间科研成果  69

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