【正文】 ................................................................................... 7 實驗原理 ............................................................................................................... 7 主要實驗設(shè)備和藥品 ........................................................................................... 7 二氧化鈦和摻鐵二氧化鈦的制備過程 ............................................................... 8 正交實驗確定制備 TiO2各藥品配比 .................................................................. 8 正交實驗確定制備 FeTiO2最佳條件 ............................................................... 10 Fe TiO2光催化劑制備條件的影響 ................................................................... 12 鍛燒溫度的影響 ....................................................................................... 12 鍛燒時間的影響 ....................................................................................... 13 摻鐵量 W(Fe3+/ TiO2)的影響 ................................................................... 14 小結(jié) ..................................................................................................................... 15 3 光催化實驗及 其影響因素 ........................................................................................... 16 光催化機理 ......................................................................................................... 16 光催化降解實驗 ................................................................................................. 17 實驗方法 ................................................................................................... 17 分析方法 ................................................................................................... 18 處理溶液 pH 的影響 .......................................................................................... 19 光催化時間影響 ................................................................................................. 20 小結(jié) ..................................................................................................................... 21 結(jié) 論 ............................................................................................................................. 22 參考文獻 ............................................................................................................................. 23 致 謝 ............................................................................................................................. 25 HEB 大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 1 緒 論 引言 二氧化鈦 ，化學式為 TiO2，俗稱鈦白粉，英文： Titanium (IV) oxide。 多用于光觸媒、化妝品，能靠紫外線消毒及殺菌， 白色固體或粉末狀的兩性氧化物，易結(jié)合在一起。分子量 ， 市場銷售的純度為 ≥%。二氧化鈦 的 熔點 1830～ 1850℃ ，沸點 2500～ 3000℃ 。自然界存在的二氧化鈦有三種變體：金紅石為四方晶體；銳鈦礦為四方晶體；板鈦礦為正交晶體。二氧化鈦 在水中的溶解度很小，但可溶于酸，也可溶于堿 。 二氧化鈦可由金紅石用酸分解提取，或由四氯化鈦分解得到。二氧化鈦性質(zhì)穩(wěn)定，大量用作油漆中的白色顏料，它具有良好的遮蓋能力，和鉛白相似，但不像鉛白會變黑；它又具有鋅白一樣的持久性。二氧化鈦還用作搪瓷的消光劑，可以產(chǎn)生一種很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。 納米 TiO2光催化機理 實驗證明：二氧化鈦晶體有三種結(jié)構(gòu) ： 銳鈦礦型、金紅石型、板鈦礦型 ， 其中銳鈦礦型 TiO2具有較好光催化作用 ， 屬 N 型半導(dǎo)體。 N 型半導(dǎo)體吸收了能量大于或等于禁帶寬度的光子后 ， 價帶上電子躍過價帶 進入導(dǎo)帶。價帶上則形成光致空穴。對于銳鈦礦型 TiO2， 其帶隙能為 eV， 相當于 387 nm 光。 TiO2 + hv → h + + e () e —導(dǎo)帶上的光致電子 h+ —代表 TiO2光致空穴 h+具有很強的捕獲電子能力 ， 具有極強的氧化性； e具有很強的還原性 ， 在半導(dǎo)體表面形成很強的氧化還原體系 ， 在水溶液中時產(chǎn)生以下反應(yīng) [1]： h+ + H2O —— H+ + ?OH () O2 + 2e + 2H+ ——H2O2 () H2O2 + O2 —— ?OH + OH + O2 () h+ + OH —— ?OH () ?OH不穩(wěn)定 ， 具有很高活性 ， 氧化能力比 H2O2， O3強 ， 能氧化難降解有機物 ，將有機物的 C、 H、 S 分別氧化成 CO H2O、 SO42。 HEB 大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 納米 TiO2的改性方法 TiO2催化劑由于禁帶較寬 [2]（ E=） ，只能被波長小于或等于 387nm的近紫外部分所激發(fā)，這部分光只占太陽光的一小部分（僅為 4%），不能充分利用太陽光。另外，光生載流子（ e、 h+）容易復(fù)合，在催化劑的表面的復(fù)合是在小于 10~9 秒的時間內(nèi)完成。因此，如何減少光生載流子（ e、 h+）的復(fù)合幾率、擴展 TiO2催化劑的光響應(yīng)范圍至可見光區(qū)，提高對太陽能的利用效率的有效途徑是對 TiO2催化劑表面進行修飾。如金屬離子摻雜、貴金屬的沉積、復(fù)合半導(dǎo)體、表面敏化等。 （ 1） 金屬離子 過渡金氧化物摻雜可以在 TiO2晶格中引入了缺陷位置或改變結(jié)晶度，抑制電子空穴 對的復(fù)合，延長載流子的壽命。過渡金屬的變價以及 3d 軌道對 TiO2半導(dǎo)體的光電化學性質(zhì)有很大的影響，同時某些金屬離子的摻雜還可以擴展光吸收范圍，所以過渡金屬離子的摻雜改性是提高光催化活性的一個有效方法。大量的研究表明：摻入過渡金屬離子可改善 TiO2的光催化性能。 稀土因為其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，具有一般元素無法比擬的光譜特性，具有未充滿的 4f殼層的稀土原子或離子形成的化合物的 4f電子可以在 ff組態(tài)之間或 fd 組態(tài)之間的發(fā)生躍遷。 （ 2） 沉積貴金屬 [34] 在二氧化鈦中引入貴金屬粒子可以對半導(dǎo)體進行改性。因為 貴金屬沉積在催化劑表面時，光激發(fā)產(chǎn)生的電子 e立即轉(zhuǎn)移到貴金屬上，隨后將貴金屬表面吸附的氧化組分如 O2還原，還原組分則被表面的光生空穴 h+氧化，從而有效的減少了光生載流（ e、h+）復(fù)合，提高光催化活性。常見的貴金屬有 Pt、 Pd、 Au、 Ag、 Ru等。已有多種方法對沉積了貴金屬的半導(dǎo)體進行表征，并探討了沉積的作用機理。 （ 3） 復(fù)合半導(dǎo)體 復(fù)合半導(dǎo)體是由兩種不同的半導(dǎo)體復(fù)合而成，由于半導(dǎo)體禁帶寬不同，復(fù)合半導(dǎo)體可以擴展波長的響應(yīng)范圍，提高電荷的分離能力，從而具有比單一半導(dǎo)體更加優(yōu)越的性質(zhì)。將窄禁帶的半導(dǎo)體 CdS 引入到寬禁帶的半導(dǎo)體 TiO2中構(gòu)成復(fù)合半導(dǎo)體，使TiO2光催化劑的光譜響應(yīng)獲得了顯著改善。將 ZnO 與 TiO2復(fù)合，盡管 ZnO 和 TiO2有同等的禁帶寬度，但因復(fù)合半導(dǎo)體的能帶交迭而使其光譜響應(yīng)也得到了顯著改善。較為常用的復(fù)合方法為浸漬法和混合溶膠法。 （ 4） 表面光敏化 光敏化是指將具有光活性化合物（多為有機光敏材料）以物理或化學吸附于半導(dǎo)體表面，這些物質(zhì)在可見光的照射下，電子被激發(fā)后注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶上。從而加寬了 TiO2的吸收波長，有效擴展了 TiO2在可見光區(qū)的光譜響應(yīng)。 Ozer 等研究過過羥HEB 大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 丙基纖維素（ HPC）和鎳鈦菁（ NiPC）共飾的電極光譜響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其光電流作用譜圖不同于單純的 TiO2和 NiPC 的吸收光譜，在 550nm 處出現(xiàn)一個極大的響應(yīng)峰。 納米 TiO2的發(fā)展概況 自從 1997年 Frank [5]在光催化降解水中污染物方面做了開拓性的工作并提出將半導(dǎo)體微粒的懸浮體系應(yīng)用于處理工業(yè)污水以來 ， 光催化研究日益活躍。二十幾年來 ， 人們對光催化機理研究做了大量探討 ， 弄清楚了半導(dǎo)體光催化劑的作用原理 ，在材料選擇及制備方面也經(jīng)歷了由盲目性到目標明確、由簡單到復(fù)雜、由單一到復(fù)合的過程。 Frank ， 二氧化鈦光催化研究大體經(jīng)歷了如下幾個階段： 首先是 1997 年 Frank TiO SnO WO ZrOZnO、 CdS 等單一半導(dǎo)體化合物做光催化劑 ， 發(fā)現(xiàn)這些半導(dǎo)體微粒在紫外波段具有一定的光催化特性。而二氧化鈦因其穩(wěn)定性好、成本低、光催化活性強、對人體無害等性質(zhì)而最具應(yīng)用前景。于是科技工作者圍繞二氧化鈦的光催化特性研究展開了大量的實驗。但具有光催化特性的 nTiO2是一種禁帶寬度為 eV的寬禁帶半導(dǎo)體 ， 其光催 化特性僅限于紫外波段 ， 而太陽光主要分布在 ～ μm范圍內(nèi) ， 在這個波段紫外光僅占 2 %左右 ， 因而二氧化鈦直接利用太陽光進行光催化分解的效率較低。 其二是將二氧化鈦與其它半導(dǎo)體化合物復(fù)合 ， 形成復(fù)合型半導(dǎo)體 ， 以改變其光譜響應(yīng)。 Vogel R 等將窄禁帶的半導(dǎo)體 CdS 引入寬禁帶半導(dǎo)體二