科技与经济的高速发展带来的是一系列日益严重的环境污染问题,一些常见的、经常被提及的污染包括空气污染、水源污染。这些都制约着人类的可持续发展。因此,一方面要从源头上控制工业生产中污染物的排放,另一方面要对已排放的污染物进行治理,这些行动需要立刻进行。在众多治理环境污染的材料中,光催化材料以清洁无污染,降解迅速等独特性能备受青睐;而在以半导体氧化物为催化剂的光催化材料中,二氧化钛以其优异性能成为光催化材料的代表。然而,以二氧化钛半导体为基础的光催化技术还存在着量子效率低,禁带宽度过大等缺点,这些缺点极大制约了光催化剂的广泛应用。针对上述难题,为使二氧化钛光催化剂在工业上得到大规模应用及推广,并且提高二氧化钛在可见光下的光催化活性,提升太阳能利用率以及新型光催化材料的稳定性,本课题对二氧化钛进行复合改性,以稀土元素钕为掺杂元素,通过溶胶-凝胶法及共沉淀-水热法制备了两种不同类型的钕掺杂二氧化钛,主要研究内容如下:(1)采用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛颗粒,以钛酸丁酯为钛源,通过正交实验法研究溶液pH值、超声温度及煅烧温度对纳米二氧化钛制备产生的影响,同时分析实验因素对材料光催化性能的影响。经光催化测试结果显示:当pH值控制为2,超声温度为40℃,煅烧温度为450℃,煅烧时间为4小时,制备出的纳米二氧化钛形貌以及光催化性能最佳。在模拟太阳光光照条件下,120分钟内降解率为46.8%。(2)在(1)的基础上,利用同样溶胶-凝胶法制备出纳米尺寸的钕掺杂二氧化钛纳米颗粒,通过光催化实验测定样品进行稀土元素掺杂后,掺杂量对样品在有机染料甲基橙降解率的影响。通过物理表征对样品的形貌、结构、晶型、粒径大小以及化学元素等特征进行测试。实验结果表明:在(1)的最佳工艺参数下,光催化性能最好的样品,其钕元素掺杂量为1 mol%,在紫外光光照条件下降解甲基橙溶液,60分钟内降解率为98%;在可见光光照条件下,120分钟内降解率为96.5%。经XRD分析结果可知制备的二氧化钛晶型为锐钛矿与金红石相混相,而掺杂钕元素后的二氧化钛表现为纯锐钛矿;样品SEM及TEM图像中可以看到,纯二氧化钛纳米颗粒,尺寸在10 nm左右,而掺杂后的样品由于钕元素晶粒尺寸较大使得样品尺寸在3-5μm之间。(3)采用共沉淀-水热法,以硫酸钛为钛源,与氢氧化锂溶液共沉淀生成氢氧化钛前驱体,水热阶段添加氢氧化锂溶液制备了二氧化钛纳米球基体。二氧化钛纳米球结构控制在10-20 nm范围内。同时,为获得光催化性能更好的催化剂,在水热阶段以硝酸钕为钕源制备了钕掺杂二氧化钛,通过控制变量法,研究了钕掺杂量对最终产物的光催化效果的影响。实验结果表明:当钕元素掺杂量为钕与钛摩尔比为1:100,即掺杂量在1 mol%时,最终制备得的钕掺杂二氧化钛光催化性能最好:在紫外光光照条件下降解甲基橙溶液,60分钟内降解率为98.2%;在可见光光照条件下,120分钟内降解率为99.14%。且样品经物理表征手段分析晶型、晶粒大小、微观形貌结构以及所含元素。经XRD分析结果可知制备的样品晶型为锐钛矿与青铜矿相的混相,即掺杂并未改变样品晶型。