【正文】 間的能量轉(zhuǎn)換，催化反應(yīng)進行。 在光照下， TiO2 因為其 光催化效應(yīng) 能夠降解膜表面的污垢 ， 且 降解出來的水 由于其超親水作用 ，浸入到 了薄膜 和 污垢 間的界面，降低 其 吸附力，促使污垢 可以 脫落?，F(xiàn)階段光催化劑選擇的 大多數(shù) 是 n 型半導(dǎo)體，在 目前 研究的 所有 光催化劑中， TiO2 光催化劑 運用的最為 廣泛 。自 1972 年 Fujishima 和 Honda 發(fā)現(xiàn)光照 TiO2 電極分解水發(fā)生光催化氧化還原反應(yīng)并產(chǎn)生氫開始 ，光催化技術(shù)就成為了催化研究領(lǐng)域的一個熱點。 納米 TiO2屬于 n 型半導(dǎo)體材料，晶粒尺寸在 1~100 nm 之間。隨著材料科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，納米材料也進入了人們的視線并且被納入了三大科技。 以制備的二氧化鈦 粉體 為催化劑，用一定波長的 可見 光照射一定濃度的 亞甲基藍 溶液，實驗表明二氧化鈦 粉體 對 亞甲基藍溶液 的降解具有明顯的催化作用 。并且利用 X 射線衍射（ XRD）和紫外 可見光吸收曲線（ UVVis）對其進行表征。 畢業(yè)論文 題 目 TiO2 摻雜及熱處理對光降解 亞甲基藍的影響 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級 學(xué) 生 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二〇一五 年 月 日 I 摘 要 目前，在 光催化反應(yīng)所使用的所有半導(dǎo)體催化劑中， TiO2 因為其無毒、抗光腐蝕、氧化能力強、催化活性高、穩(wěn)定性好、成本低等性質(zhì)最為常用。制備前驅(qū)體后，利用真空高溫氨氣熱處理制備不同溫度及熱處理條件下的氮摻雜二氧化鈦粉體。在相同熱處理條件下，在 550oC 時能獲得更好的光催化性能。后來人們又把新材料、生物技術(shù)、信息技術(shù)作為了新技術(shù)革命的重要標志。納米材料從發(fā)現(xiàn)至今發(fā)展迅速，成為材料科學(xué)發(fā)展領(lǐng)域的熱點。 二氧化鈦光催化技術(shù) 光催化技術(shù)是一種可以直接利用太陽能作為光源的理想環(huán)境污染治理技術(shù)，具有無二次污染，催化劑本身性質(zhì)穩(wěn)定，處理污染物范圍廣等優(yōu)點，在水凈化、殺菌、污水處理、對有毒有害物質(zhì)的控制和空氣的凈化等方面很有應(yīng)用前景。因此在 污染治理方面 得到了廣泛的應(yīng)用 ，尤其 在土壤污染 和 廢水污染等 方面有著 廣闊 的前景。 （ 2） 污垢清潔： TiO2 薄膜有自清潔效應(yīng) 。袁志等人 在 殼聚糖保鮮膜 里加入了 TiO2， 很大 程度上 減少了 食品 中 細菌的生成 。敏化光催化反應(yīng)指的是材料上的敏化劑在光照下被活化從而產(chǎn)生電荷，間接轉(zhuǎn)移到材料上，再和被吸附的分子完成反應(yīng)。伍 )電子供體的氧化舊 )。 二氧化鈦光催化氧化有機物的機理如下： 3 TiO2 + hv → h + + e h+ +OH → ?OH e +O2 → ?O 2 有機物 + ?OH → 中間產(chǎn)物 → CO 2 + H2O 有機物 + ?O2 → CO2 + H2O + 其他產(chǎn)物 影響光催化特性的因素 （ 1） 晶型影響： 二氧化鈦的三種晶相 :銳鈦礦，金紅石，板鈦礦都是由基本單位 TiO6 通過不同連接方式組成的。 Bickley 等人研究出某些具有高活性的混合物可能是因為薄的金紅石相生長在了銳鈦礦相的表面，產(chǎn)生混晶效應(yīng)。薄膜厚度小于電子遷移距離時，被光照激活的電子數(shù)量隨著薄膜厚度的增加而增多，也隨之加強了光催化活性。對 TiO2 進行改性的方法主要有非金屬元素摻雜，復(fù)合半導(dǎo)體，過渡金屬元素摻雜，染料敏化，稀土金屬元素摻雜和貴金屬沉積等。另一方面 ,過渡金屬元素摻雜使 TiO2 穩(wěn)定性變差 ,比如用濕化學(xué)法或離子注入的方法摻 Cr、 V 等元素 。復(fù)合 的 方式 主要有 簡單組合、多層結(jié)構(gòu) 、 摻雜、異相組合等。除此以外敏化劑在水溶液里容易從催化劑的表面分離 ,而且其自身也有可能發(fā)生光降解?？茖W(xué)界也加大了對 氮摻雜 二氧化鈦 粉體 制備工藝的研究，使其向高性能、工藝簡單 、低成本的方向發(fā)展。其中鈦鹽除鈦醇鹽如鈦酸四丁酯、鈦酸四異丙酯等外還有無機鈦鹽如四氯化鈦、硫酸鈦、三氯化鈦。有機前驅(qū)體熱解法還可以制備二氧化鈦的碳氮共摻雜，所得的摻雜二氧化鈦有較好的光催化性能，但其碳氮共摻雜的機理還需要進一步探究。 以鈦的醇鹽為前驅(qū)體，其溶膠凝膠過程為： 水解 反應(yīng) ： OHROHTiORTi OH 2 ?????? ???? 縮聚 反應(yīng) ： 失水縮聚 OHTiOTiTiHOOHTi 2?????? ?????? 失醇縮聚 R O HTiOTiTiHOORTi ?????? ?????? 溶膠 凝膠法的優(yōu)點是能夠形成薄膜和大塊固體，摻雜改性容易實現(xiàn)，缺點是得到納米二氧化鈦粉體較難，而且破碎后的粉體的顆粒尺寸分布和孔徑分布較寬。選擇鈦酸四正丁酯作 7 為前驅(qū)物，無水乙醇作為溶劑。對制備的改性二氧化鈦粉體進行表征對比，確定出最佳的制備條件，如溫度、是否真空狀態(tài)。 8 2 實驗部分 實驗藥品及儀器 實驗藥品和試劑 表 實驗藥品和試劑及生產(chǎn)廠家 藥品名 級別 生產(chǎn)廠家 鈦酸四正丁酯 CP（ 化學(xué)純 ） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司 無水乙醇 AR（ 分析純 ） 天津市富宇精細化工有限公司 尿素 AR（ 分析純 ） 萊陽市康德化工有限公司 亞甲基藍 AR（ 分析純 ） 天津市津南區(qū)咸水沽工業(yè)園區(qū) 實驗儀器 表 實驗儀器及生產(chǎn)廠家 儀器名 生產(chǎn)廠家 SHT 型數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套 山東鄄城華魯電熱儀器有限公司 781 型磁力加熱攪拌器 金壇市醫(yī)療儀器廠 DHG9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司 ZF7 型暗箱三用紫外線分析儀 上海嘉鵬科技有限公司 真空管式高溫?zé)Y(jié)爐 合肥科晶材料技術(shù)有限公司 電子天平 上海佑科儀器儀表有限公司 紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司 A8FOCUS 型 X 射線衍射儀 BRUKER AXS GMBH XiangYi H1650 高速離心機 長沙湘儀離心機儀器有限公司 氙燈光源 北京中教金源科技有限公司 二氧化鈦 光粉體 的制備 實驗前的準備 實驗前準備好實驗所需要的儀器和藥品。本實驗選取鈦酸四正丁酯作為前驅(qū)物，無水乙醇為溶劑， 制備二氧化鈦粉體前驅(qū)體。 不同溫度下二氧化鈦光催化劑的制備 將上述目標產(chǎn)物二氧化鈦的前驅(qū)體分別在 530oC、 550oC、 570oC 時和相同質(zhì)量的尿素同時于真空管式高溫?zé)Y(jié)爐中抽真空至 100oC，煅燒 1 小時，保溫 2 小時，尿素提供氮源，得到不同溫度下的氮摻雜二氧化鈦粉體。如圖 所示為不同溫度條件下的真空煅燒的二氧化鈦的 XRD 衍射圖，圖 中的 (a)、 (b)、 (c)分別表示為 530oC、 550oC、 570oC 時真空煅燒的二氧化鈦粉體的 XRD衍射圖。 10 紫外 可見光吸收光譜表征 及分析 使用紫外可見分光光度計測試所制備的二氧化鈦 粉體 的可見光吸收光譜，對其進行吸光情況的表征。由圖和圖 結(jié)果表明 隨著溫度的增加，制備的二氧化鈦粉體的吸光度在可見光區(qū)域逐漸明顯，直到溫度為 550oC 時，二氧化鈦粉體在可將光區(qū)域的吸光度最為明顯。其中 a 是氮摻雜二氧化鈦粉體在可見光區(qū)域的吸收曲線， b 是真空煅燒的二氧化鈦粉體在可見光區(qū)域的吸收曲線， c 是在空氣中煅燒的的二氧化鈦粉體在可見光區(qū)域的吸收曲線， a、 b、 c 煅燒溫度相同。本實驗配制的 亞甲基藍 的濃度為 ，選擇蒸餾水作為溶劑。 氙光光光源強度為一個太陽光。 不同溫度下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線 （ 1） 氮摻雜二氧化鈦粉體作為光催化劑，在氙燈光源照射下，催化降解亞甲基藍溶液， 每隔 30 min 測試 亞甲基藍 的可見光吸收光譜 。 560 630 7000 .00 .71 .4 Abs? （ nm ）abcdefghi 圖 煅燒溫度為 530oC 氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線 :a t=0,b t=30min, c t=60min,d t=90min,e t=120min, f t=150min, g t=180min, h t=210min。圖 所示為煅燒溫度為 550oC 時制備的真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線，圖 所示為其上清液的可見光吸收曲線，圖 所示為煅燒溫度為 570oC 時制備的真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線。圖 所示為真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線，圖 所示為在空氣中煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解 亞甲基藍的可見光吸收曲線。 具體操作方法：取一干凈 容量瓶 ，加入 10 mL 提前配制的 亞甲基藍 溶液，然后將蒸餾水 加入 到 100ml容量瓶中定容 ， 搖勻 備用。 19 500 550 600 650 700 7500 .00 .20 .40 .60 .81 .01 .2 Abs? （ nm ）abcdef 圖 真空煅燒的二氧化鈦粉體重復(fù)利用進行光催化反應(yīng)的可見光吸收曲線 二氧化鈦粉體 光催化反應(yīng)小結(jié) 二氧化鈦 粉體 的光催化反應(yīng)是本實驗唯一一個對二氧化鈦性能探究的部分， 探究了不同溫度及不同熱處理條件 得到的 二氧化鈦粉體 的光催化性能，加上一個空白對比實驗，可以得出結(jié)論，二氧化鈦 粉體 對 亞甲基藍 溶液的降解有一定的催化作用。 (3) 由光催化反應(yīng)測試結(jié)果表 明 ， 摻氮及熱處理后的 二氧化鈦 粉體 對 亞甲基藍 溶液的降解有一定的催化作用