Ti~(3+)自掺杂纳米TiO_2的制备及其可见光催化性能研究

【摘要】由于二氧化钛（TiO2）的化学稳定性、无毒性和光催化活性，使其在光催化降解有机污染物和分解水制氢等方面有广阔的应用前景。然而，纯TiO2禁带宽度较大（锐钛矿相TiO2~3.2eV，金红石相TiO2~3.0eV），只有在紫外光激发下才能产生电子-空穴对，进而进行光催化降解反应，所以使其在实际应用中受到限制。采用离子掺杂可以有效解决TiO2带隙宽的问题，从而能够被可见光激发，提高对可见光的利用率。但通常的离子掺杂会在TiO2晶格内部形成缺陷，成为光生载流子的复合中心，降低其光催化性能。近年的研究表明含有Ti3+离子自掺杂和氧空缺的TiO2(TiO2-x)具有良好的可见光催化活性，Ti3+离子的存在可以有效提高非化学计量的TiO2-x的光响应范围和亲水性，对其光催化活性有重要影响。为了提高纳米TiO2的可见光催化活性，本论文采用Ti3+自掺杂对TiO2进行改性。在可见光激发下，通过光催化分解水制氢和降解次甲基蓝(MB)溶液为标准，来评价Ti3+自掺杂纳米TiO2（论文中简称Ti3+/TiO2）的光催化活性，考察不同制备方法对Ti3+/TiO2在可见光下的光催化降解性能，具体工作如下：1.水热法制备Ti3+/TiO2光催化剂及其性能研究。以氢化钛(TiH2)和双氧水(H2O2)为原料，首先在室温下制备得到TiO2前驱体凝胶，然后对前驱体凝胶进行水热处理，得到目标产品。采用X-射线衍射(XRD)、电子自旋共振谱(EPR)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X-射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(UV-visDRS)等手段对所得样品的结构、结晶性、形貌和光学性能进行表征分析，探讨Ti3+/TiO2的可见光光催化反应机理。结果表明：所制备的Ti3+/TiO2中既含有晶格Ti3+，同时还含有表面Ti3+。在可见光辐射下，Ti3+/TiO2样品表现出优于商业化的P25TiO2的光催化分解水和降解MB溶液的性能。与P25TiO2相比，在160C下水热处理27h所得样品在可见光催化降解MB方面，其催化效率提高了9倍，在光催化分解水制氢方面，效率提高了12.5倍，并且样品展现了良好的光催化循环稳定性。2.后续热处理制备Ti3+/TiO2光催化剂及其性能研究。室温下，以TiH2和H2O2为原料，首先制备TiO2前驱体凝胶。然后对前驱体凝胶进行后期热处理，得到目标产物。采用XRD、EPR、TEM、HRTEM、XPS、UV-visDRS以及拉曼光谱(Raman)等手段对所得样品的结构、结晶性、形貌和光学性能进行表征分析。在可见光辐照下，以光催化分解水制氢和光催化降解MB为目标，评价材料的光催化性能。结果表明：采用热处理法所制备的样品中同样含有晶格Ti3+和表面Ti3+。在可见光辐射下，所得样品展现出优于P25TiO2的光催化分解水和降解MB溶液的性能。与P25TiO2相比，在500C下热处理所得样品具有最佳的可见光催化降解MB和分解水制氢的性能，同时样品具有良好的光催化循环稳定性。3.不同状态前驱体凝胶对Ti3+/TiO2的性能影响。通过改变TiH2和H2O2的比例和反应时间，制备得到不同状态的TiO2前驱体凝胶。之后采用水热法对不同状态的TiO2前驱体凝胶进行后期水热处理，得到目标产品。采用XRD、TEM、UV-vis和XPS等手段对样品的结构、晶型、形貌、组成及光学性质进行分析表征。在可见光下，通过对MB溶液的光催化降解来研究材料的光催化性能，并对采用不同状态凝胶制备得到的Ti3+/TiO2光催化剂的形成机理和可见光催化反应机理进行了探讨。结果表明，前驱体凝胶状态的差异对材料的结构、尺寸和晶型有重要影响，从而影响材料的光催化性能。
【作者】刘新；
【导师】高善民；
【作者基本信息】鲁东大学，材料学，2014，硕士
【关键词】Ti3+自掺杂；纳米二氧化钛；可见光催化；水热；热处理；

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