雙元素改性納米TiO2光催化劑的合成及其性能研究.pdf

1、納米TiO2具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)及化學(xué)性能，是一種重要的寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料。近年來，納米TiO2光催化技術(shù)作為一種高級(jí)氧化技術(shù)受到人們廣泛關(guān)注。但是，純的納米TiO2光催化性能不強(qiáng)，限制了它的應(yīng)用。為了提高納米TiO2的光催化活性，必須對(duì)其進(jìn)行改性。
　　 本文采用改進(jìn)水熱法制備了非金屬與金屬共摻雜、金屬與金屬共摻雜及半導(dǎo)體復(fù)合的納米TiO2，并分別采用XRD、TEM、SEM、DRS、XPS、BET和光催化降解甲基橙對(duì)其物相

2、和光催化性能進(jìn)行了研究。
　　 (1)以硝酸鎘和十二胺為摻雜劑，分別采用熱分解法和水熱法制備了未摻雜、N摻雜和N-Cd共摻雜納米TiO2光催化劑。通過XRD、TEM、DRS、XPS和BET等手段對(duì)樣品的晶型、晶粒尺寸、摻雜元素形態(tài)、光吸收性能以及比表面積進(jìn)行了表征，以甲基橙溶液為目標(biāo)降解物考察了其光催化性能。討論了煅燒溫度、實(shí)驗(yàn)方法及摻雜元素對(duì)TiO2光催化活性的影響。結(jié)果表明，用熱分解法在450℃下煅燒得到的N-Cd共摻雜Ti

3、O2光催化活性最高。銳鈦礦型N，Cd-TiO2晶體顆粒大小約為10-15 nm，N取代了TiO2晶格中的O原子，而Cd以游離態(tài)分布在TiO2表面：產(chǎn)物的光吸收發(fā)生明顯紅移，其吸收邊波長(zhǎng)為435nm；光催化活性明顯提高，光照15 min后，N，Cd-TiO2對(duì)甲基橙的降解率高達(dá)99％，這表明N、Cd在提高TiO2的光催化活性方面具有協(xié)同作用。采用第一性原理方法，構(gòu)建N取代O、Cd在表面的銳鈦礦型TiO2模型，對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理

4、論計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在N，Cd-TiO2的帶隙中出現(xiàn)了N2p和Cd5s的雜質(zhì)能級(jí)，價(jià)帶的電子可以吸收較小的能量躍遷到雜質(zhì)能級(jí)上，在光照射下接著二次激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶上，從而使電子躍遷變得容易，吸收波長(zhǎng)向可見光區(qū)移動(dòng)。計(jì)算結(jié)果很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　 (2)采用沉淀法一水熱法相結(jié)合的方法分別制備未摻雜、La3+與Zn2+單摻雜及共摻雜TiO2光催化劑。La3+與Zn2+共摻雜后樣品在紫外和可見光區(qū)的吸收能力顯著提高，光吸收發(fā)生明顯紅移

5、；La3+、Zn2+摻雜降低了光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合率，光催化活性明顯提高。
　　 (3)采用金屬摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合兩種改性方法相結(jié)合制備了La3+摻雜、CdS復(fù)合TiO2光催化劑，并探討了摻雜元素和CdS復(fù)合量對(duì)TiO2形貌、晶型和光催化活性的影響。La元素?fù)诫s可在TiO2半導(dǎo)體中形成淺勢(shì)捕獲阱，有效地降低光生載流子的復(fù)合率，CdS復(fù)合可顯著提高樣品在可見光區(qū)的吸收。n(TiO2：CdS)=100:5時(shí)，La-CdS/TiO2光