钛基多元光催化材料的制备与性能研究

作     者：陈金垒 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王宏

授予年度：2013年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：光催化 溶胶凝胶法 In 掺杂 CTAB In/La共掺杂 In/Al 甲基橙 

摘      要：TiO是一种重要的半导体光催化材料，它能在太阳光下降解各种污染物，同时其具有成本低、无毒性、不产生二次污染等优点，受到各国研究人员的关注。然而TiO也存在宽带禁度较大、光源利用率低、载流子复合率高等缺陷。通过研究发现，离子掺杂改性是克服这些缺陷，提高TiO光催化活性的一种重要手段。 针对以上背景问题，本文拟通过单一金属离子掺杂和多种金属离子共掺杂的方法对TiO进行优化改性，以提高TiO在紫外光下的光催化效率。并用XRD、SEM、FT-IR、以及N吸附-脱附等手段对光催化剂进行了表征，同时考察了其在紫外光辐照下降解甲基橙的能力。主要实验研究分为以下四个部分。 1以钛酸四丁酯为钛源，硝酸铟为铟源，采用溶胶-凝胶法合成了In掺杂TiO(In-TiO)材料。结果表明，所制材料在不同In掺杂浓度和煅烧温度下均为锐钛矿相，In以同晶取代方式占据TiO中Ti的位置，形成InTiO，提高了光生载流子产率。适量的In掺杂抑制了二氧化钛晶粒的生长，使材料的平均孔径减小，比表面积增大。随着煅烧温度的升高，二氧化钛晶粒逐渐增大，比表面积逐渐减小。400oC煅烧制得的3%In-TiO的具有最大的比表面积(94.4m2/g)。紫外光降解甲基橙实验表明，400oC煅烧制得的3%In-TiO具有最强的光催化能力，光照70min可使甲基橙完全降解;而在同等条件下，纯TiO对甲基橙的降解率仅为62.3%。 2以CTAB为模板导向剂，考察不同CTAB浓度及煅烧温度对3%In-TiO光催化剂结构和活性的影响。结果表明，CTAB的加入促进了In-TiO的结晶和颗粒的均匀分散，增大了二氧化钛颗粒粒径和比表面积，并造成了TiO晶格膨胀。适当的煅烧温度能够去除表面活性剂，并保持一定的比表面积。紫外光照60min后，500oC制备的，CTAB浓度为0.12mol/L的In-TiO光催化剂对甲基橙的光催化率达到91.8%。比表面积和晶格膨胀是光催化剂活性的主要影响因素。 3以钛酸四丁酯为钛源，硝酸铟为铟源，氯化铝为铝源，采用溶胶-凝胶法首次合成了In-Al-TiO复合材料。结果表明，所制材料在不同Al浓度掺杂和煅烧温度下均为锐钛矿相，适量Al掺杂抑制了二氧化钛晶粒的生长，增加了样品的比表面积。随着煅烧温度的升高，样品晶粒和平均孔径逐渐增大，比表面积逐渐减小，400oC煅烧制得的0.5%Al-3%In-TiO的具有最大的比表面积(108.9m2/g)。一部分Al以取代式掺杂进入TiO晶格，造成TiO晶格缺陷，增加了材料表面羟基数量，抑制了光生载流子的复合。紫外光降解甲基橙实验表明，400oC煅烧制得的0.5%Al-3%In-TiO具有最强的光催化能力，光照40min可使10mg/L的甲基橙溶液完全脱色。 4以钛酸四丁酯为钛源，硝酸铟为铟源，氯化镧为镧源，采用溶胶-凝胶法首次合成了La-In-TiO复合材料。结果表明，所制材料在不同La浓度掺杂和煅烧温度下均为锐钛矿相，La以取代式掺杂进入TiO晶格，造成TiO晶格缺陷，促进了光生载流子的分离。适量的La掺杂减小了二氧化钛晶粒尺寸，造成了材料比表面积的增大。随着煅烧温度的升高，TiO晶粒逐渐增大，颗粒硬团聚加剧，比表面积逐渐减小，400oC煅烧制得的0.3%La-3%In-TiO的比表面积为129.8m/g。紫外光降解甲基橙实验表明，400oC煅烧制得的0.3%La-3%In-TiO具有最强的光催化能力，光照40min可使10mg/L甲基橙溶液完全脱色。UV-Vis图谱表明，La3+掺杂改变了甲基橙溶液的光催化降解历程。