N掺杂二氧化钛的制备、可见光活性与机理研究

作     者：於煌 

作者单位：重庆工商大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑旭煦

授予年度：2007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）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：TiO2 N掺杂 光催化 机理 

摘      要：以TiO为代表的半导体光催化氧化技术能在常温下利用光能氧化分解污染物,是具有广阔应用前景的治理环境污染的新技术。然而,TiO的禁带宽度较大(Eg=3.2V),只有在波长小于388 nm的紫外光下,才能发生光催化反应。这意味着TiO只能利用太阳光中的少量部分(约5%),而在太阳光中占大多数的可见光(约45%)却无法利用。因此,扩展TiO光响应范围,使其在太阳光照射下即能起催化降解有机物作用,具有重要的意义。 采用非金属元素氮对TiO进行掺杂改性,是拓展TiO光谱响应范围的有效途径。本文以氨水为氮源,采用溶胶-凝胶法制备了具有可见光活性的N掺杂TiO,并用XRD、DSC、IR、UV-VIS和XPS等表征手段,研究这些催化剂的结构和光电性质,讨论了N掺杂TiO可见光光催化的机理。 研究结果表明:(1)与TiO相比,N掺杂TiO具有明显的可见光活性。在灼烧温度为400℃、快速搅拌和pH=4.6的条件下,N掺杂TiO可见光光催化降解对氯苯酚效果最好。(2)灼烧温度对N掺杂TiO的晶型结构有较大的影响,400℃时N掺杂TiO全部为锐钛矿结构,粒径最小,随着温度的升高,粒径增大,晶型逐渐向金红石相转变。(3)N掺杂后TiO光响应波长明显向可见光区移动,并在灼烧温度为400℃时吸收波长扩展最大。(4)N掺杂过程和可见光催化机理推测为:在制备过程中,氨水中的NH3分子质子化成为NH4+离子吸附到TiO表面,加热时脱水浓缩进入TiO晶格。此时N可能与H相连间隙存在于TiO晶格中,并在TiO价带上方引入杂质能级,可见光照射时,电子从杂质能级跃迁到导带从而发生光催化反应。(5)N掺杂可能在TiO晶格中引入了氧空缺,其原因可能是NH3分解的H2所致。