铈掺杂二氧化钛纳米管的制备及光催化性能研究

【摘要】随着全球环境恶化和能源短缺的日益加剧，能源和环境问题受到了人们越来越高的重视，开发高效率，低能耗，适用范围广，环境友好型的新型功能材料成为人们迫切需要解决的问题。研究发现，半导体光催化技术在治理环境与节约能源方面具有诸多优点，如能耗低、反应条件温和、操作简便、适用范围广、二次污染少等。TiO2与其他半导体光催化剂相比，具有明显优势：光催化效率高、化学稳定性好、成本低、无毒，已成为目前国内外研究解决环境与能源问题的热点研究材料。但是，TiO2带隙较宽（Eg=3.2eV），主要吸收太阳光中的紫外线，对太阳光的利用率达不到10%。因此，TiO2作为光催化剂的使用也受到了一定限制。针对以上缺点，本文制备了未掺杂及铈掺杂二氧化钛纳米管，探索了不同制备条件及光催化反应条件对它们光催化性能的影响。主要研究如下：1.以钛酸四丁酯为钛源，以硝酸铈为铈源，采用溶胶-凝胶结合水热法制备了未掺杂及铈掺杂二氧化钛纳米管光催化剂。以样品对亚甲基蓝的降解率为依据，考察了制备过程中前驱体配比，煅烧温度，煅烧时间，铈掺杂量对样品光催化性能的影响。结果表明，在前驱体配比n=Ti(OC4H9)4:C2H5OH:HNO3:H2O=1:15:0.7:2、煅烧温度为450℃、煅烧时间为3h、铈掺杂量W(Ce3+/TiO2)=1.5%时，样品的光催化效率最高。2.采用X射线衍射（XRD）对所得光催化剂进行晶格结构，晶相组成的测定；采用透射电镜（TEM）测定样品形貌并进行EDS元素分析；用红外可见光谱分析研究样品内部键-键结构；用紫外-可见分光光度计测定样品吸光度。XRD结果表明所得样品在450℃煅烧下为锐钛矿，超过500℃时，锐钛矿与金红石相共存。掺杂样品中并未出现铈氧化物的衍射峰，且掺杂样品的衍射强度比未掺杂的强，说明铈掺杂有利于二氧化钛的结晶。TEM结果表明，所得样品为纳米管结构，管径为10nm左右，掺杂样品的管长明显较未掺杂的大。EDS分析表明铈离子掺杂进入了二氧化钛晶格中。3.对所得样品进行系列光催化实验，研究了光催化剂用量，降解物初始浓度，光催化时间对光催化降解率的影响，结果表明，最佳制备条件下，当光催化剂用量为20mg/25ml，亚甲基蓝初始浓度为20mg/L，光催化反应时间为2h时，样品的光催化效率最高，掺杂样品光催化降解率达到97.4%，比未掺杂样品提高了16.1%。
【作者】宋明冬；
【导师】于开锋；
【作者基本信息】吉林大学，材料学，2014，硕士
【关键词】铈掺杂；二氧化钛；光催化；降解；纳米管；

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