【正文】 ............................................................. 8 實(shí)驗(yàn)儀器 ................................................................................................... 8 二氧化鈦 光粉體 的制備 ..................................................................................... 8 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備 ........................................................................................... 8 二氧化鈦 前驅(qū)體 的制備 ............................................................................ 9 不同溫度下二氧化鈦光催化劑的制備 .................................................... 9 不同熱處理?xiàng)l件下二氧化鈦光催化劑的制備 ........................................ 9 二氧化鈦 粉體 的表征 及分析 ............................................................................. 9 X 射線衍射 （ XRD）表征及分析 ............................................................ 9 紫外 可見光吸收光譜表征 及分析 ........................................................ 10 二氧化鈦薄膜光催化特性測試 ....................................................................... 11 亞甲基藍(lán) 溶液的配制及最大吸收波長的確定 ..................................... 11 IV 二氧化鈦粉體的光催化反應(yīng) ................................................................. 11 不同溫度下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線 ...................................... 12 不同熱處理?xiàng)l件下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線 .......................... 17 二氧化鈦光催化劑的重復(fù)利用及 可見光吸收 曲線 ............................. 18 二氧化鈦粉體 光催化反應(yīng)小結(jié) ............................................................. 19 結(jié) 論 ......................................................................................................................... 20 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................... 21 致 謝 ......................................................................................................................... 22 1 1 前言 二氧化鈦的研究背景及現(xiàn)狀 材料作為人類生存和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)前提，最早被人們當(dāng)作當(dāng)代文明的三大支柱之一，和它并列的還有信息和能源。納米技術(shù)意味著人類探究自然的能力已經(jīng)到達(dá)原子、分子水平，也標(biāo)志著人類的科技已進(jìn)入一個(gè)新的納米技術(shù)時(shí)代。納米 TiO2 也因?yàn)槠湫再|(zhì)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，廣泛運(yùn)用在光催化降解、降解廢水、光電效應(yīng)和太陽能電池能方面。 光催化技術(shù)現(xiàn)階段應(yīng)用 光催化技術(shù)的操作工藝 簡單 ， 容易 控制，能源 的 消耗低，能 使物質(zhì) 完全降解 而 且不產(chǎn)生 二次 污染 。 光催化 所需 的條件 簡單 只有光照， 2 解決了 廢水 處理設(shè)備 的 成本問題。 （ 4） 食品保質(zhì)：食品 因?yàn)槭艿?紫外線的照射，保質(zhì)期 會(huì)大大下降 ， 如果在 食品的 包裝材料中加入 TiO2， 因?yàn)?TiO2 光催化作用 能夠 吸收紫外線， 在一定程度上 保證了食品質(zhì)量。直接光催化反應(yīng)指的是材料自身在光照下直接被活化從而產(chǎn)生電荷，再和被吸附的分子完 成反應(yīng)。 圖 1 半導(dǎo)體微粒的主要反 :(a)光生空穴的產(chǎn)生 。 因此 采用分散的二氧化鈦粉末參加光催化反應(yīng) 。不過當(dāng)按照一定比例存在金紅石晶型和銳鈦礦晶型的二氧化鈦時(shí)，其光催化性能會(huì)大大提高，而非單一相加。 （ 3） 厚度的影響：當(dāng) 厚度在一定范圍內(nèi)，光催化特性隨厚度的增加而加強(qiáng)。改性的目的主要是拓寬光響應(yīng)的范圍促使光生電荷能夠有效分離抑制載流子復(fù)合以提高光量子的效率來提高光催化劑的穩(wěn)定性等。 非金屬摻雜 過渡金屬元素?fù)诫s雖然能夠改善 TiO2 在可見光下的活性 ,但是因?yàn)榻饘匐x子成為復(fù)合中心 ,而使得 TiO2 在紫外光下的活性下降或在可見光下的活性遠(yuǎn)低于 在紫外光下的活性 。半導(dǎo)體的復(fù)合可 以 提高電荷 的 分離效果，擴(kuò) 大 TiO2 光譜 的 相應(yīng)范圍。染料 光 敏化可以通過在可見光下染料激發(fā)的電子注入到 TiO2 導(dǎo)帶中 ,從而使得 TiO2 的光激發(fā)波段能夠擴(kuò)展到可見光區(qū)域 ,但絕大多數(shù)的敏化劑在近紅外區(qū)的吸收很弱 ,其吸收譜與太陽光譜還不能夠很好得匹配 。 氮摻雜 二氧化鈦 粉體 的制備方法 現(xiàn)階段制備 氮摻雜 二氧化鈦 粉體 的方法很完善也很多，但大多 數(shù)方法僅 適用于小量生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室 ， 還不能 夠 投入到 規(guī)?；?的工業(yè)生產(chǎn)， 其中 制備方法最主要的有溶膠凝膠法 （ SolGel） 、 高溫焙燒法、 水解沉淀法 、 有機(jī)前驅(qū)體熱解法 、 機(jī)械化學(xué)法 。 水解沉淀法 6 水解沉淀法指的是直接在含氮水溶液中將鈦鹽水解或?qū)⑩侞}水解再和含氮的有機(jī)物反應(yīng)得到氮摻雜二氧化鈦粉體。 有機(jī) 前驅(qū)體熱解法 有機(jī)前驅(qū)體熱解法指的是含氮有機(jī)物和鈦鹽反應(yīng)使得到的有機(jī)前驅(qū)體含有 TiN鍵，再使得到的前驅(qū)體在不同的氣氛和溫度中煅燒摻雜改性。 在 二氧化鈦溶膠的制備，作為前驅(qū)體的鈦有機(jī)醇鹽通常選用的主要有鈦酸乙酯、四氯化鈦、鈦酸正丁酯等，最常用的為鈦酸正丁酯；常用溶劑有乙醇、丙醇和異丙醇等；常用穩(wěn)定劑為二乙醇胺或冰醋酸等。 課題研究內(nèi)容與意義 本實(shí)驗(yàn)采用高溫氨氣熱處理法 制備氮摻雜二氧化鈦粉體。選擇實(shí)驗(yàn)制備的改性二氧化鈦粉體進(jìn)行光催化性能的測試，采用亞甲基藍(lán)模擬降解物。我國的鈦資源占世界總儲(chǔ)量的 1/4,居于世界之首 ,如果能利用豐富的鈦資源 ,制備出可見光催化劑 ,應(yīng)用于污染處理、光能轉(zhuǎn)換等方面 ,不僅促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，改善了我們的生存環(huán)境，而且使世界所面臨的能源與環(huán)境污染問題都有望得到徹底的解決。制備二氧化鈦 粉體選擇的 鈦源基本 相似 ，大多采用鈦的有機(jī)醇鹽。將白色固體轉(zhuǎn)移到干凈的研缽中研磨，得到白色粉末，即為目標(biāo)產(chǎn)物二氧化鈦前驅(qū)體。 二氧化鈦 粉體 的表征 及分析 X 射線衍射 （ XRD）表征及分析 如圖 所示為不同溫度條件下的氮摻雜二氧化鈦粉體的 XRD 衍射圖，圖 中的 (a)、 (b)、 (c)分別表示為在 530oC、 550oC、 570oC 時(shí)氮摻二氧化鈦粉體的 XRD 衍射圖。由圖 可以表明相同 溫度 550oC 時(shí)，真空煅燒是最佳的熱處理?xiàng)l件。其中圖 a、 b、 c 分別表示 氮摻雜二氧化鈦粉體當(dāng)溫度為 530oC、 550oC、 570oC 的 吸收曲線；圖 a、 b、 c 分 11 別表示 真空煅燒二氧化鈦粉體當(dāng)溫度為 530oC、 550oC、 570oC 的吸收曲 線 。 圖 所示為 相同溫度下，當(dāng)熱處理?xiàng)l件不同時(shí)，二氧化鈦粉體在可見光區(qū)域的 可見光吸收光譜。首先配制一定濃度的 亞甲基藍(lán) ，來測定 亞甲基藍(lán)溶液 的最大吸收波長。 二氧化鈦粉體的光催化反應(yīng) 由 二氧化鈦粉體 的紫外 可見光吸收曲線表征 情況，本實(shí)驗(yàn) 選擇氙光光源模擬太 12 陽光 參加光催化反應(yīng)的測試。將吸附過后的溶液離心出 50ml 上清液，將有二氧化鈦粉體的亞甲基藍(lán)溶液和離心出的上清液分別 放 在氙光光源下 ，選擇 可見光 照射溶液，每隔 30 min 測試一次 亞甲基藍(lán) 反應(yīng)后的吸收曲線。從圖中可以看出氮摻雜二氧化鈦粉體對(duì)亞甲基藍(lán)的降解有明顯的催化作用，且當(dāng)煅燒溫度為 550oC 時(shí)，氮摻雜二氧化鈦的催化作用更明顯， 550oC 為氮摻雜二氧化鈦粉體煅燒的更適宜溫度。 如圖 所示 為煅燒溫度為530oC 時(shí)制備的真空煅燒的二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎┙到鈦喖谆{(lán)的可見光吸收曲線。 如圖 所示 氮摻雜二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎┙到鈦喖谆{(lán)的可見光吸收曲線。氙光光光源強(qiáng)度為一個(gè)太陽光。 從圖 中可以看出，真空煅燒的二氧化鈦粉體重復(fù)利用進(jìn)行光催化反應(yīng)時(shí)仍然有良好的光催 化性能，表明真空煅燒的二氧化鈦粉體重復(fù)利用率高，可以重復(fù)利用。 (2) 由紫外 可見光吸收光譜表征得出， 純 二氧化鈦的吸收波長 帶邊 在 410nm 左右 ， 氮摻雜及熱處理后的二氧化鈦的吸收波長在大于 410nm 的可見光區(qū)域， 所以在光催化反應(yīng)中選取 氙燈光源 照射； 溫度及熱處理方式均對(duì)吸收波長影響，在探究過程中發(fā)現(xiàn) 550oC，真空煅燒更適宜二氧化鈦粉體光催化劑的煅燒。