TiO2改性催化剂的制备及光催化应用毕业设计论文.docx

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TiO2改性催化剂的制备及光催化应用毕业设计论文

本科毕业设计（论文）

题目

TiO2改性催化剂的制备

及光催化应用

SouthwestPetroleumUniversity

GraduationThesis

PreparationandPhotocatalyticAplicationoftheChangedPropertiesoftheTiO2Catalysts

Grade:

2008

Name:

Speciality:

Chemistry

Instructor:

SchoolofChemicalEngineeringandTechnology

2012-6

摘要

为了解决二氧化钛在应用中太阳能利用效率低和光量子利用效率低的技术难题，人们通过金属元素掺杂等手段对TiO2进行改性研究。

掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度，影响电子与空穴的复合或拓展光的吸收波段，从而提高TiO2的光催化活性。

本文采用溶胶—凝胶法制备了第四周期过渡金属离子和第Vlll族贵金属元素掺杂的纳米TiO2粉末光催化剂，利用XRD、SEM等多种手段对掺杂前后粉末性能进行了表征。

系统全面地研究了不同焙烧温度，不同掺杂金属，不同掺杂量，不同反应温度等因素对催化活性的影响。

在未掺杂条件下，500℃焙烧的TiO2催化活性最好,且晶形为锐钛矿晶形，700℃下的则大部分为板钛矿晶形；在相同条件下Fe、Cu、Zn、Ag分别掺杂后，Fe掺杂活性最好，且明显优于未掺杂的样品，说明掺杂使催化剂的性质有了明显优化；在不同量的Fe的掺杂样品中，0.05%的比例下催化活性最好；最后验证了在pH=3条件下催化甲基橙的效果最好。

本论文通过金属元素掺杂的方法对纳米TiO2光催化剂进行改性研究，解决了制备过程中的一些技术问题，获得了改性后TiO2光催化剂的制备方法和性能的变化以及影响光催化活性的规律。

关键词:

纳米TiO2；光催化；掺杂改性；过渡金属；溶胶凝胶法

Abstract

Efficiencyofsolarenergyutilizationinapplicationinordertosolvethetitaniumdioxideinlowlightandlowquantumefficiencyoftechnicaldifficulties,bymeansofmetal-dopedTiO2formodification.Dopingintroducescrystallinityofdefectlocation,orchangethesemiconductorsurface,effectofcompositeorexpandingtheopticalabsorptionofelectronsandholes-band,thusimprovingphotocatalyticactivityofTiO2.easwellasthepreparationofphotocatalyticactivityoflaw.

Thisarticleusingsol-gelpreparationoffourthcycleVlllpreciousmetalsandtransitionmetalionsdopednanometerPhotocatalystTiO2powders,usingvariousmethodssuchasXRDSEMtocharacterizationofthepropertiesofdopedpowdersbeforeandafter.Systemstudyofthedifferentroastingtemperature,dopedwithdifferentmetals,differentamountofdoping,effectofdifferentfactorssuchastemperatureoncatalyticactivity.

InisnotdopingconditionsXia,500℃roastingofTiO2catalyticactivitybest,andCrystalshapedforsharptitaniummineCrystalshaped,700℃XiaofismostforBoardtitaniummineCrystalshaped;insameconditionsXiaFeCuZnAgrespectivelydopingHou,Fedopingactivitybest,andclearbetterthanisnotdopingofsamples,descriptiondopingmakescatalystofnaturehashasclearoptimization;indifferentvolumeofFeofdopingsamplesinthe,0.05%ofratioXiacatalyticactivitybest;lastvalidationhasinpH=3conditionsXiacatalyticmethylorangeofeffectbest.

ThispaperbymethodofmetaldopedNano-TiO2studytomodifiedPhotocatalyst,solvessometechnicalproblemsinthepreparationprocess,obtainedthemodifiedTIO2Photocatalysteffectandchangesinperformanceaswellasthepreparationofphotocatalyticactivityoflaw.

Keywords:

Nano-TiO2;photocatalytic;modifiedbydoping;transitionmetals;sol-gelmethod

1.文献综述

1.1纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理

1.1.1纳米TiO2光催化材料简介

自从1972年日本Fujisima和Honda报道了TiO2电极上电解水现象后，半导体光催化引起了国际化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注。

纳米半导体TiO2光催化技术具有低能耗、易操作、无二次污染等特点，且有望利用太阳能在有机合成，光解水，环境治理等领域得以应用，显示了广阔的应用前景。

纳米TiO2是近年来发展起来的一种新型高性能材料，具有比表面积大、光吸收性好、热导性好等独特的性能。

近年来，国内外学者对纳米TiO2在太阳能转换和储存、污水处理、气体传感器、光催化化学合成等方面的应用进行了大量的研究。

1977年，Frank和Bard用TiO2作为光催化剂氧化CN-为OCN，开创了光催化剂用于污水处理的先河。

此后，人们对TiO2的非均相光催化反应进行了大量的研究，在探讨Ti02光催化反应机理，研究提高Ti02光催化反应效率的途径和开发TiO2在环境污染治理、水处理、空气净化和能源等方面应用的文献和专著大量涌现。

1.1.2TiO2光催化的基本原理

目前广泛研究的半导体光催化剂大多数都属于宽禁带的n型半导体化合物，如CdS、SnO2、TiO2、ZnO、ZnS、PbS、MoO3、SrTiO3、V2O5、WO3和MoSi2等。

这些半导体中TiO2、CdS的催化活性最高，但是CdS、ZnS在光照时不稳定，因为光阳极腐蚀而产生Cd2+、Zn2+，这些离子对生物有毒性，对环境有害。

TiO2光催化材料是当前最有应用潜力的一种光催化剂。

它的优点是:

光照后不发生光腐蚀，耐酸碱性好，化学性质稳定，对生物无毒性;来源丰富，世界年消费量为350万吨;能隙较大，产生光生电子和空穴的电势电位高，有很强的氧化性和还原性;另外，TiO2为白色粉末，根据需要，可制成白色或无色块体和薄膜。

所以半导体光催化研究主要集中在TiO2。

TiO2作为耐久的光催化剂已经被应用于环保领域。

文献表明，TiO2的催化活性被应用于对细菌和气味的光解处理，另外，还可以使癌细胞失活，对臭味进行控制，对于氮的固化和对于油污染清除都是十分有效的。

半导体具有特殊的电子结构，由一个满的价带（简写为VB）和一个空的导带（简写为CB）构成半导体能带结构。

价带中最高能级与导带中的最低能级之间的能量差叫禁带宽度（简写为Eg）。

当半导体被小于或等于其禁带激发波长λg的光照射时，半导体价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，从而在价带上留下空穴（h+）。

半导体的光吸收阈值λg与带隙能Eg有关，其关系式为:

λg（nm）=1240/Eg（eV）。

锐钛矿型的TiO2带隙能为3.2eV，光催化所需入射光最大波长为387.5nm。

半导体受激发产生的电子/空穴对（e-,h+）统称为载流子，载流子可以在体相或表面复合放出热能，也可以与半导体表面的物质发生氧化还原反应。

具有一定还原能力的电子给体被价带上的空穴氧化，具有一定氧化能力的电子受体则被导带上的电子还原。

作为光催化剂，半导体的这种能带位置应满足热力学允许的氧化还原反应发生的条件。

半导体的能带位置及被吸附物质的氧化还原电势，决定了半导体光催化反应的能力。

从热力学观点看，半导体导带电势应比表面电子受体相应的电势要高（更负），光生电子才能传给电子受体，使其发生光催化还原反应;而半导体的价带电势应比表面电子给体电势要低（更正），才能使电子由表面电子给体传给空穴，电子给体本身发生光催化氧化反应。

一般说，价带空穴的氧化还原电势越正，导带电子的氧化还原电势越负，则半导体材料的氧化还原能力越强。

TiO2在光照下能够进行催化氧化还原就是因为其特殊的半导体能带结构，光激发产生的电子和空穴在电场力的作用下分离并迁移到粒子表面。

电子成为很好的还原剂（+0.5～1.5V），电子在材料的表面被捕获，即被吸附在半导体表面，或者是吸附在荷电的周围粒子的双电子层之内，与表面吸附的氧分子反应，不仅形成O2一和O等离子和自由基，还是表面羟基自由基的另一来源，表面羟基自由基·OH是光催化反应的主要氧化剂，对催化氧化具有决定性作用。

光生空穴成为有力的氧化剂（+l.0～3.5V），它有很强的获取电子能力，是携带光子能的主要部分，可与表面吸附的H2O或OH一离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基。

大部分有机光致降解反应，其反应不是直接就是间接地充分利用空穴的氧化能力。

这些高活性基团能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常被认为是光催化反应体系中的主要氧化剂。

具体反应历程可如下反应式表示:

TiO2+Hν→TiO2（e-,h+）（1.1）

e-+h+→heatorhν（1.2）

h++OHads→HO·（1.3）

h++H2Oads→HO·+H+（1.4）

e-+O2→·O2-（1.5）

HO·能与电子给体D作用，将之氧化，e一能与电子受体A作用，将其还原，同时h+也能与有机物作用将其氧化。

HO·+D→D++H2O（1.6）

e-+A→A-（1.7）

h++D→D+（1.8）

不同半导体的光生电子/空穴对具有不同的