【導(dǎo)讀】轉(zhuǎn)換、光化學(xué)合成、光致變色以及光催化氧化環(huán)境污染等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。法因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單，合成的TiO2純度高且粒度小而受到青睞。但純TiO2納米晶的光響應(yīng)范圍發(fā)生。藍(lán)移，對(duì)可見(jiàn)光利用率更低。要使TiO2納米晶在可見(jiàn)光條件下表現(xiàn)出光催化活性，金屬離子摻。雜是提高TiO2光催化效率的有效手段。通過(guò)摻雜改性的TiO2能有效抑制光生電子–空穴的復(fù)合，能在晶格中引入缺陷或改變結(jié)晶度并擴(kuò)展TiO2的光譜響應(yīng)范圍，提高光催化效率。要求：-凝膠法配制Fe/TiO2催化劑。、通氧速率、光照強(qiáng)度的影響。計(jì)劃：第一階段：配制Fe/TiO2催化劑。2020-03-22至2020-03-28查閱并整理二氧化鈦的相關(guān)資料，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)方案；2020-03-29至2020-04-25溶膠—凝膠法制備鐵摻雜二氧化鈦；2020-04-26至2020-05-15影響Fe/TiO2光催化特性的各種因素的研究；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要明確實(shí)驗(yàn)的根本目的和基本方法，將所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)融入到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，并得以鞏固和提高；時(shí)反饋，切勿耽誤實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，影響實(shí)驗(yàn)質(zhì)量；思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。度為450℃，鍛燒時(shí)間為2h。

　　

【正文】 淺能級(jí)的捕獲非常重要，被捕獲的電荷載流子應(yīng)能夠在捕獲位被激活，即能夠變得可動(dòng)。而一個(gè)深能級(jí)捕獲的電荷載流子可能在相同的粒子內(nèi)部產(chǎn)生下一個(gè)電子 —空穴對(duì)前，重新與它的相對(duì)物合并（有隨后的光子產(chǎn)生 )，成為電荷載流子的重新合并中心，從而不利于整個(gè)光催化反應(yīng)。 Fe3+摻雜對(duì) TiO2光催化活性的提高還在于作為電荷載流子的淺捕獲位，不僅能夠捕獲電子和空穴，而且被 捕獲的電子和空穴容易被釋放。 另外，三價(jià)鐵離子的半徑為 ，略小于四價(jià)鈦離子半徑 ，因此鐵離子能進(jìn)入 TiO2晶格內(nèi)部，替代鈦離子。四價(jià)的鈦離子被替代后，提高了 TiO2晶格內(nèi)部和表面氧空位。由于氧空位帶正電荷，考慮到電荷平衡，多的氧空位含量相應(yīng)地減少了自由電子的含量；同時(shí)，表面氧空位含量的增加有利于氧在表面的吸附，提高了電子與表面吸附的氧化反應(yīng)，即增加了界面電子的遷移速率，從而提高了 TiO2 的光催化活性。 光催化降解實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)方法 將羅丹明 B 配制成濃度為 5 mg/L 的溶液， 取 200 ml 與反應(yīng)皿中，再加入 的 TiO2（ FeTiO2） 使 TiO2（ FeTiO2） 在溶液中的濃度為 2 g/L，用 HCl（ NaOH）調(diào)節(jié)不同的 pH 值，最后將反應(yīng)皿至于 有紫外燈的通風(fēng)櫥內(nèi)。調(diào)整反應(yīng)皿與紫外燈之間的距離，一般為 10 cm。關(guān)閉通風(fēng)櫥，打開(kāi)紫外燈開(kāi)關(guān)，反應(yīng) 2 h，期間每 30min 取一次水樣離心 后測(cè)其吸光度，計(jì)算脫色率。 HEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 分析方法 在不同波長(zhǎng)下測(cè)量羅丹明 B 的 吸光度 結(jié)果如圖 31 所示。 圖 31 羅丹明 B 在不同波長(zhǎng)下的吸光度 由圖 31所示羅丹明 B的特征吸收峰波長(zhǎng)為 550nm。羅丹明 B經(jīng)純 TiO2和 FeTiO2光催化劑光催化降解后，取清液在 550nm 處測(cè)定吸光度， 以此來(lái)表征羅丹明 B 的脫色效果 。 采用分光光度法測(cè)定羅丹明 B 溶液吸光度來(lái)確定其濃度。分別配制不同濃度的羅丹明 B 溶液，用分光光度計(jì)在 550 nm 處以蒸餾水為空白樣測(cè)定各溶液的吸光度，溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖 32 所示。 由圖 32 可見(jiàn)，羅丹明 B 溶液的濃度與吸光度在一定濃度范圍內(nèi)成 線性 關(guān)系 。 圖 32 羅丹明 B 吸光度與濃度曲線 y = 0 . 1 9 2 5 x + 0 . 0 6 6 8R2 = 0 . 9 9 50 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 21 . 41 . 61 . 80 1 2 3 4 5 6 7 8羅丹明 B 濃度 m g / L吸光度 /A 0 . 00 . 20 . 40 . 60 . 81 . 01 . 2500 510 520 530 540 550 560 570波長(zhǎng)/ n m吸光度/AHEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 得到了羅丹明 B 吸光度與濃度關(guān)系曲線后，我們?cè)诳梢?jiàn)光區(qū)最大吸收峰 550nm下測(cè)定樣品在納米 TiO2 降解前后的吸光值。根據(jù)樣品最大吸光值變化求得樣品的脫色率，以此表征 TiO2光催化劑的催化效率。計(jì)算公式如下 [16]： P=(A0－ At)／ A0 100% () 式中 ： P—樣品的脫色率； A0—樣品光催化降解前吸光值； At—樣品光催化降解 t 時(shí)間段后的吸光值。 處理溶液 pH的影響 溶液 pH 值對(duì)有機(jī)物的去除率有著明顯的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)滴加酸和堿的方法來(lái)改變羅丹明 B 溶液的 pH 值，同樣，用最佳條件下制備的催化劑來(lái)處 理每組水樣，光催化時(shí)間為 2h。由表 31 和圖 33 可看出，催化劑 FeTiO2相對(duì)純 TiO2光催化效果要好，但是兩種催化劑光催化效果受 羅丹明 B 溶液 pH 的影響是基本一致的。在酸性條件下催化降解的效果最好，隨著 pH 值的升高，脫色率開(kāi)始下降， pH 值為 8 時(shí)脫色率最差。 pH 值繼續(xù)升高至堿性條件時(shí)，脫色率又開(kāi)始上升。 pH 值對(duì)光降解過(guò)程的影響非常復(fù)雜 [17]，關(guān)鍵在于溶液的 pH 值直接影響了催化劑表面所帶電荷的性質(zhì)，影響了 羅丹明 B 的存在形式以及 羅丹明 B 在催化劑表面的吸附行為。 羅丹明 B 隨 pH 值不同在 TiO2表面吸附量有較大 差異，過(guò)強(qiáng)的吸附往往會(huì)導(dǎo)致催化劑活性位受阻，光催化活性降低。因此應(yīng)選擇一個(gè)較適宜的 pH 范圍。 在酸性溶液中 H+離子可有效地促進(jìn)體系內(nèi) H2O 的產(chǎn)生，從而有效地加速了 OH自由基的生成，提高了分解反應(yīng)的速率。因而酸性越大，羅丹明 B 的脫色率就越高。在堿性溶液中 TiO2 表面帶負(fù)電荷 OH，這有利于空穴向表面遷移，并與吸附到表面的 H2O 和 OH等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 OH 自由基，同時(shí)溶液中 H+濃度低，容易生成具有強(qiáng)氧化能力的 O2自由基。因此在堿性條件下也能獲得較高的脫色率，而中性條件下脫色率最差。本實(shí)驗(yàn)選取 pH=4 較為 合適。 表 31 羅丹明 B 溶液 pH 值單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果 pH 值 2 4 6 8 10 12 TiO2 脫色率 /% Fe TiO2 脫色率 /% HEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 33 脫色率與羅丹明 B 溶液 pH 值曲線 光催化時(shí)間影響 用最佳條件下制備的純 TiO2 和 FeTiO2 光催化劑來(lái)處理羅丹明 B 溶液五份，每隔一小時(shí)取出一個(gè)樣，測(cè)其吸光度，計(jì)算脫色率。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 32 和圖 34。 表 光 催化時(shí)間單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果 光催化時(shí)間 /h 1 2 3 4 5 TiO2 脫色率 /% Fe TiO2 脫色率 /% 0204060801002 4 6 8 10 12pH 值脫色率 /%二氧化鈦摻鐵二氧化鈦HEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 34 脫色率與光催化時(shí)間的關(guān)系 小結(jié) 在紫外光條件下，反應(yīng)條件一致時(shí)， FeTiO2光催化劑降解羅丹明 B 溶液的效果都要優(yōu)于純 TiO2。說(shuō)明了摻雜 Fe3+對(duì)提高 TiO2的光催化性質(zhì)有較好的效果。 通過(guò)單因數(shù)實(shí)驗(yàn)分別確定了最佳的反應(yīng)條件 ： 反應(yīng)溶液 pH=4； 光催化時(shí)間為 2h。 204060801001 2 3 4 5光催化時(shí)間 / h脫色率 /%二氧化鈦摻鐵二氧化鈦HEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 結(jié) 論 確定了制備摻雜鐵離子二氧化鈦 (FeTiO2)的最佳配比和制備的最佳條件 ： 前驅(qū)體配比（摩爾比）為 n=Ti(OC4H9)4: C2H5OH: HNO3: H2O=1: 15::1，摻鐵量 W (Fe3+/TiO2)= % ； 鍛燒溫度為 450 ℃ ； 鍛燒時(shí)間為 2h。 確定了 FeTiO2光催化降解羅丹明 B 溶液的最佳反應(yīng)條件 ： 反應(yīng)溶液 pH=4； 光催化時(shí)間為 2h。 最佳條件下 FeTiO2處理羅丹明 B 溶液的脫色率達(dá)到 %。紫外光下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明 摻鐵二氧化鈦相比純二氧化鈦光催化降解羅丹明 B 溶液效果明顯提高，紫外光下提高了 %。 HEB 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 參考文獻(xiàn) [1] 高春華，黃新友．納米 TiO2光催化在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 [J]．納米科學(xué)與產(chǎn)業(yè)， 2020，(7)： 68~71 [2] 鄭琦，陳恒初，王靖宇 ， 等．鐵摻雜納米二氧化鈦溶膠的制備及性能研究 [J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)， 2020， 30(4)： 14~18 [3] 宋來(lái)洲，張文茂． TiO2納米膜光催化降解有機(jī)污染物的研究 [J]．燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2020， 27(4)： 328~330 [4] 孫曉君，蔡偉民，井立強(qiáng) ， 等，二 氧化鈦半導(dǎo)體光催化技術(shù)研究進(jìn)展 [J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 33(4)： 534~541 [5] 尹荔松，沈輝．二氧化鈦光催化研究進(jìn)展及應(yīng)用 [J]．材料導(dǎo)報(bào)， 2020， 14(12)：23~25 [6] 于向陽(yáng)，程繼健，杜永娟 ．二氧化鈦光催化材料 [J].化學(xué)世界， 2020,11:567~570 [7] 沈耀良，王惠民．納米材料與 TiO2光催化廢水處理技術(shù) [J]．江蘇環(huán)境科學(xué)， 2020，13(3)： 13~15 [8] 王君，韓建濤，郭寶東． TiO2 功能材料應(yīng)用研究進(jìn)展 [J]．鈦工業(yè)進(jìn)展， 2020，21(5)： 11~15 [9] 陳琦麗，唐超群，肖循． TiO2納米微粒的溶膠凝膠法制備及 XRD 分析 [J]．材料科學(xué)與工程 ， 2020， 20(2)： 224~226 [10] 董素芳，趙素梅．溶膠 — 凝膠法制備二氧化鈦凝膠的影響因素分析 [J]．現(xiàn)代技術(shù)陶瓷， 2020， 3： 10~12 [11] 程小蘇，曾令可，黃浪歡 ， 等．光催化的制備過(guò)程與配方優(yōu)化 [J]．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 31(2)： 14~18 [12] . 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