文档介绍：河南大学
硕士学位论文
新型N-TiO2的固相法制备及其光催化性能研究
姓名:马鹏举
申请学位级别:硕士
专业:分析化学
指导教师:杨建军
2011-06
河南大学分析化学专业二零零八级硕士学位论文: 中文摘要
中文摘要
目前,由于人们对环境的过度开发,致使环境污染及能源短缺越来越严重地威胁
到我国可持续发展战略的实施。为解决这牵扯到亿万人民福祉的问题,广大科研工作者
开展了各种各样的工作。利用太阳光催化氧化污染物以达到治理环境污染的方法具有降
解速率快、无二次污染、能量来源丰富等优点,从而引起了人们极大的兴趣。在众多的
半导体氧化物中,TiO2 由于具有强氧化性、无毒、化学稳定性好等优点在治理环境污染
方面展现出了广阔的应用前景。可是,TiO2 作为光催化剂一方面禁带宽度比较大,约
eV,只能吸收占太阳光 3%-4%的紫外光,另一方面 TiO2 光生电子-空穴的复合几率
也比较大,致使其不能有效地利用吸收的能量,严重地阻碍了 TiO2 在光催化领域中的
应用。
本文通过焙烧纳米管钛酸(NTA)及尿素的混合物制备出来了氮掺杂的纳米二氧化
钛(N-TiO2-U)。X 射线电子衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)显示样品在 300℃-600℃
呈现出管状锐钛矿二氧化钛结构,但 700℃焙烧样品已有金红石型存在且峰强已基本和
锐钛矿相同。紫外可见吸收光谱(UV-Vis)表明 500℃焙烧样品对 UV-Vis 光的吸收能力最
强,NTA 能直接塌陷为二氧化钛能形成大量束缚单电子的氧空位,其反应方程式为:
H2Ti2O5·H2O+ x NH3 →(NH4)xH2-xTi2O5·H2O +(x -1)H2O ( 0≦x≦2 ,100℃)
·
(NH4)xH2-xTi2O5·H2O → TiO2-xNy+ (x-y) NH3 + n H2O+ mVo (0≦y≦x,>150℃)
造成其 UV-Vis 吸收能力较好,但强的 UV-Vis 光吸收能力并没有转化为高的光催化活性,
其原因还有待于进一步研究。
将 NTA 和碳酸氢铵机械混合后通过不同温度的焙烧,得到了光催化活性很高的纳
米氮掺杂二氧化钛(N-TiO2-A)。X-射线衍射(XRD)及高分辨电子显微镜(TEM)表明样品
在温度小于 400℃时处于管状无定形形态,400℃-600℃是管状锐钛矿 TiO2,当温度达
到 700℃时样品已经变成颗粒,且有少量金红石相生成。X 射线光电子能谱(XPS)分析
发现 N 形成了 Ti-N-O 键进入 TiO2 晶格内部,N 的掺杂可以抑制高温下 TiO2 的相转化,
并且在升温过程中形成了中间体钛酸铵(NH4)2Ti2O4(OH)2,使 N 元素更均匀地分散在
TiO2 晶格内,同时产生更多的氧空位,因此样品对 UV-Vis 光的吸收能力较强。而中间
体(NH4)2Ti2O4(OH)2 亦使得到的样品在 500℃时能保持较好的管状结构,具有较大的比
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河南大学分析化学二零零八级硕士学位论文: 马鹏举
表面积,对光响应最好且氧空位浓度合适,造成了其光催化活性比不掺杂 N 的样品提
高了近 30%。
通过比较两种 N 源的掺杂过程及光催化性能,我们发现以碳酸氢铵为 N 源时催化
剂的光催化活性更好。UV-Vis 吸收光谱发现以尿素为 N 源的样品在 400-500 nm 处吸收
更强,这是由于 NTA 坍塌成 TiO2 时能形成更多的氧空位,致使其 UV-Vis 吸收明显好
很多,但强的 UV-Vis 光吸收能力并没有转化为高的光催化活性。另外,由于中间体
(NH4)2Ti2O4(OH)2 不仅具有固氮的作用,同时能缓慢的释放出 N 元素,促其分散更均匀,
同时有利于保持样品的管状形貌、形成更好的锐钛矿晶型,因此造成了其光催化降解甲
基橙的活性比较高。
关键词:光催化;固相法;氮掺杂;纳米管钛酸;新型 TiO2
II
河南大学分析化学专业二零零八级硕士学位论文: 英文摘要
Abstract
At present, environmental pollution and energy shortage have been increasingly
clamping down our sustainable development strategy owing to the over-exploitation. To solve
this problem, millions of people and researchers from all fields carried out