掺杂改性纳米TiO2的制备及其性能研究

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TiO2纳米材料在光催化降解污染物、染料敏化太阳能电池、光分解水制氢等方面有着广阔的应用前景。由于TiO2禁带较宽,对太阳能的利用率低,制约了其在实际中的应用。适当地掺杂金属与非金属元素有助于改善TiO2的光吸收,抑制光生载流子的复合,提高光催化反应的量子产率与拓宽可见光谱响应范围,是对TiO2改性的一种行之有效的方法。本论文以La、Ni、N元素为掺杂源,通过XRD、SEM、UV-Vis等对样品的晶型转变、晶相组成、表面形貌、紫外-可见光吸收和光催化性能进行了考察,得到了以下结果:1、采用Sol-gel法,500℃热处理2h得到TiO2混晶(68.4%的锐钛型和31.6%的金红石型)和La、Ni单掺与共掺杂的纳米TiO2粉体材料,颗粒主要为球形且晶粒尺寸较为均匀。XRD结果显示,La和Ni离子的掺杂抑制了TiO2的相变和晶粒尺寸的增长,纯TiO2的粒径主要分布在20~30nm,掺杂La和Ni后样品的晶粒尺寸在9~20nm之间。2、掺杂La和Ni后,TiO2在紫外和可见光区的吸收能力均有不同程度地增强。与未掺杂TiO2的吸收带边相比,La掺杂TiO2的吸收带边蓝移,Ni掺杂和La、Ni共掺TiO2的吸收带边发生红移,红移量分别约为40nm和35nm。以亚甲基兰为目标降解物,对样品进行光催化性能评价,结果表明,La单掺和La、Ni共掺杂促进了光生电子-空穴对的分离,从而提高了光催化降解亚甲基蓝的活性。3、采用钛酸四丁酯水解沉淀法制备的N掺杂与Ni、N共掺杂TiO2纳米粉体,分别在450℃、500℃、550℃温度下热处理,XRD与SEM结果显示,各样品主要以锐钛矿晶型存在,晶粒尺寸分布在13-20nm。采用此方法制备过程中,形成了一些难以分散的晶体硬团聚。4、N掺杂拓宽了TiO2的光吸收范围,在N2保护下相比空气中煅烧,样品在可见光区的吸收能力有所提高;随着热处理温度的提高,N掺杂量减少,Ni、N共掺杂TiO2吸收带边向短波方向移动;550℃热处理下,Ni和N共掺杂纳米TiO2紫外-可见光吸收边较P25红移了约70nm。Ni和N共掺杂可以起到协同作用,降低TiO2的带隙能,提高样品对可见光的吸收。
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