过渡金属修饰二氧化钛光催化的研究

【摘要】光催化制氢及降解有机污染物具备清洁、可持续性等优点,在光催化技术中广受关注。在众多的光催化剂中,二氧化钛由于其稳定性好、无毒害、价格低廉等优势而被广泛研究。提高二氧化钛的光催化活性是其研究与开发的关键和热点问题。本文重点进行了过渡金属修饰二氧化钛材料的合成及其光催化性能的研究,并对过渡金属元素铁和铜的作用进行了深入研究和分析。本文以钛酸丁酯为前驱体,采用溶胶-凝胶法合成纳米二氧化钛,通过差示扫描量热／热重分析(DSC/TGA)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外可见漫反射光谱(DRS)等测试方法对样品进行了表征和分析,解析热处理过程中催化剂的结构及形貌变化,优化热处理温度。通过光降解亚甲基蓝和制氢对二氧化钛的光催化性能进行表征,发现10-20nm的锐钛矿型的二氧化钛具有优异的光催化活性,其性能优于市售二氧化钛。采用共凝胶法和热处理方法分别制备了Fe3+体相掺杂和表面掺杂二氧化钛,并通过光降解亚甲基蓝和制氢对其光催化活性进行表征。结果表明,体相掺杂既不利于降解也不利于制氢过程,而表面掺杂能够有效提高亚甲基蓝降解效率,说明掺杂离子的位置,对光催化活性产生重大影响。通过溶胶旋转蒸发法制备量子化掺杂粒子,并通过热处理将其由表面掺杂转换为体相掺杂,其热处理前后光催化效率的区别充分证明了表面掺杂与体相掺杂对光催化的差异。Fe3+在紫外光照射下能够降解亚甲基蓝,直接吸附在二氧化钛表面的Fe3+更加有效地提高了亚甲基蓝的降解速率,二氧化钛与Fe3+之间存在协同作用,本文对协同作用的机理进行了探讨和分析。对比Fe3+吸附,Cu2+吸附对光催化活性的影响明显不同。研究表明,随着Cu2+含量的增加,降解有机物和制氢过程的反应速率都先上升后下降。通过对反应后样品进行XRD、TEM、XPS等分析发现,在制氢过程中,Cu2+被还原为单质铜,其作用机理与Pt负载二氧化钛制氢过程类似。在降解有机物过程中,Cu的氧化还原对在反应体系内起到催化剂的作用,从而加速有机物的降解过程。但二氧化钛表面过量铜的存在导致复合中心的形成,降低有机物降解速率。Fe3+与Cu2+氧化还原反应机理的不同,导致光催化过程产生差异,进而影响光催化活性,产生了不同的Fe3+与Cu2+掺杂效果,本文对其机理进行了探讨和分析。
【作者】马士良；
【导师】李洲鹏；
【作者基本信息】浙江大学，化学工程，2013，硕士
【关键词】二氧化钛；铜；铁；制氢；亚甲基蓝；光催化；掺杂；

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