复合型纳米TiO2/Fe2O3、TiO2/SnO2催化剂的制备及其光催化性能研究

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TiO2虽然被称为最有前景的光催化剂,但是其禁带宽度为3.2eV,只能吸收387 nm以内的光才能产生电子激发;并且激发的光生电子—空穴在体内迅速复合,极大的限制了TiO2的应用推广。因此对TiO2进行改性以改善其光吸收性能和光量子效率是当前研究的首要难题。其中,采用不同的氧化物与TiO2形成复合型半导体来提高其光催化活性是研究的热点之一。本论文采用胶溶—水热晶化法,分别制备了复合型纳米TiO2/Fe2O3、TiO2/SnO2光催化剂。通过对复合型纳米TiO2/Fe2O3催化剂的晶体结构、颗粒形貌、紫外可见吸收性能和光催化活性的研究及TiO2和Fe2O3的能带结构分析表明:作为复合氧化物光催剂的两个氧化物的能带必须符合能带匹配原则,即作为改性的氧化物其导带和价带电位(相对于氢标(NHE)和pH=0时的标准电极电位)都应比TiO2的要高。基于胶溶—水热晶化法,采用三种路线制备了复合TiO2/SnO2样品。分别通过XRD、SEM、UV—Vis等手段表征其晶体结构、颗粒形貌和紫外可见光吸收性能,并以甲基橙作为光催化探针反应物,研究其光催化活性。研究表明:①以Sn4+作为锡源所制备的TiO2/SnO2为晶红石结构的连续置换型固溶体。并随着Sn4+含量的增加,固溶体样品的晶体结构、颗粒形貌、紫外可见吸收性能,由R-TiO2逐渐向R-SnO2转化,而且光催化活性表现出先降后增的趋势。②以沉淀Sn(OH)4作为锡源加入TiO2溶胶所制备的复合TiO2/SnO2样品,虽然有效避免了Sn4+掺杂进入TiO2的晶格形成固溶体,但仍对形成金红石型TiO2起着模板作用。进一步研究发现,复合TiO2/SnO2样品中单独存在的锐钛矿型TiO2的含量与Sn(OH)4加入Ti(OH)4的胶溶时间成正比,与Sn(OH)4的加入量成反比。③以SnO2粉末作为锡源加入TiO2溶胶所制备的复合样品为Anatase-TiO2/SnO2,且分别考察了SnO2的热处理温度、SnO2的质量比例,胶溶温度和HNO3浓度这四个因素对所制备的复合Anatase-TiO2/SnO2的晶体结构、复合形态、紫外可见吸收性能的影响。比较发现,制备条件为:SnO2经300℃焙烧、加入量为40%,胶溶温度为60℃、硝酸浓度为4mol/L时,所制备的复合Anatase-TiO2/SnO2样品达到较均匀的复合形态,由此具有最佳的光催化活性,45min内对甲基橙的降解率为94.5%,比未改性的TiO2活性提高了52.5%。
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