【導讀】轉換、光化學合成、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用前景。法因為操作簡單，合成的TiO2純度高且粒度小而受到青睞。但純TiO2納米晶的光響應范圍發(fā)生。藍移，對可見光利用率更低。要使TiO2納米晶在可見光條件下表現出光催化活性，金屬離子摻。雜是提高TiO2光催化效率的有效手段。通過摻雜改性的TiO2能有效抑制光生電子–空穴的復合，能在晶格中引入缺陷或改變結晶度并擴展TiO2的光譜響應范圍，提高光催化效率。要求：-凝膠法配制Fe/TiO2催化劑。、通氧速率、光照強度的影響。計劃：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資料，撰寫實驗方案；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；實驗過程中要明確實驗的根本目的和基本方法，將所學專業(yè)知識融入到整個實驗過程當中，并得以鞏固和提高；時反饋，切勿耽誤實驗進程，影響實驗質量；思考問題和解決問題的能力。度為450℃，鍛燒時間為2h。

　　

【正文】 淺能級的捕獲非常重要，被捕獲的電荷載流子應能夠在捕獲位被激活，即能夠變得可動。而一個深能級捕獲的電荷載流子可能在相同的粒子內部產生下一個電子 —空穴對前，重新與它的相對物合并（有隨后的光子產生 )，成為電荷載流子的重新合并中心，從而不利于整個光催化反應。 Fe3+摻雜對 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，三價鐵離子的半徑為 ，略小于四價鈦離子半徑 ，因此鐵離子能進入 TiO2晶格內部，替代鈦離子。四價的鈦離子被替代后，提高了 TiO2晶格內部和表面氧空位。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地減少了自由電子的含量；同時，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，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。 光催化降解實驗 實驗方法 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）調節(jié)不同的 pH 值，最后將反應皿至于 有紫外燈的通風櫥內。調整反應皿與紫外燈之間的距離，一般為 10 cm。關閉通風櫥，打開紫外燈開關，反應 2 h，期間每 30min 取一次水樣離心 后測其吸光度，計算脫色率。 HEB 大學畢業(yè)設計（論文） 18 分析方法 在不同波長下測量羅丹明 B 的 吸光度 結果如圖 31 所示。 圖 31 羅丹明 B 在不同波長下的吸光度 由圖 31所示羅丹明 B的特征吸收峰波長為 550nm。羅丹明 B經純 TiO2和 FeTiO2光催化劑光催化降解后，取清液在 550nm 處測定吸光度， 以此來表征羅丹明 B 的脫色效果 。 采用分光光度法測定羅丹明 B 溶液吸光度來確定其濃度。分別配制不同濃度的羅丹明 B 溶液，用分光光度計在 550 nm 處以蒸餾水為空白樣測定各溶液的吸光度，溶液標準曲線如圖 32 所示。 由圖 32 可見，羅丹明 B 溶液的濃度與吸光度在一定濃度范圍內成 線性 關系 。 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/ n m吸光度/AHEB 大學畢業(yè)設計（論文） 19 得到了羅丹明 B 吸光度與濃度關系曲線后，我們在可見光區(qū)最大吸收峰 550nm下測定樣品在納米 TiO2 降解前后的吸光值。根據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 時間段后的吸光值。 處理溶液 pH的影響 溶液 pH 值對有機物的去除率有著明顯的影響。本實驗通過滴加酸和堿的方法來改變羅丹明 B 溶液的 pH 值，同樣，用最佳條件下制備的催化劑來處 理每組水樣，光催化時間為 2h。由表 31 和圖 33 可看出，催化劑 FeTiO2相對純 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，脫色率開始下降， pH 值為 8 時脫色率最差。 pH 值繼續(xù)升高至堿性條件時，脫色率又開始上升。 pH 值對光降解過程的影響非常復雜 [17]，關鍵在于溶液的 pH 值直接影響了催化劑表面所帶電荷的性質，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，過強的吸附往往會導致催化劑活性位受阻，光催化活性降低。因此應選擇一個較適宜的 pH 范圍。 在酸性溶液中 H+離子可有效地促進體系內 H2O 的產生，從而有效地加速了 OH自由基的生成，提高了分解反應的速率。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)生化學反應生成 OH 自由基，同時溶液中 H+濃度低，容易生成具有強氧化能力的 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。本實驗選取 pH=4 較為 合適。 表 31 羅丹明 B 溶液 pH 值單因素實驗結果 pH 值 2 4 6 8 10 12 TiO2 脫色率 /% Fe TiO2 脫色率 /% HEB 大學畢業(yè)設計（論文） 20 圖 33 脫色率與羅丹明 B 溶液 pH 值曲線 光催化時間影響 用最佳條件下制備的純 TiO2 和 FeTiO2 光催化劑來處理羅丹明 B 溶液五份，每隔一小時取出一個樣，測其吸光度，計算脫色率。單因素實驗結果見表 32 和圖 34。 表 光 催化時間單因素實驗結果 光催化時間 /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 大學畢業(yè)設計（論文） 21 圖 34 脫色率與光催化時間的關系 小結 在紫外光條件下，反應條件一致時， FeTiO2光催化劑降解羅丹明 B 溶液的效果都要優(yōu)于純 TiO2。說明了摻雜 Fe3+對提高 TiO2的光催化性質有較好的效果。 通過單因數實驗分別確定了最佳的反應條件 ： 反應溶液 pH=4； 光催化時間為 2h。 204060801001 2 3 4 5光催化時間 / h脫色率 /%二氧化鈦摻鐵二氧化鈦HEB 大學畢業(yè)設計（論文） 22 結 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 ℃ ； 鍛燒時間為 2h。 確定了 FeTiO2光催化降解羅丹明 B 溶液的最佳反應條件 ： 反應溶液 pH=4； 光催化時間為 2h。 最佳條件下 FeTiO2處理羅丹明 B 溶液的脫色率達到 %。紫外光下的對比實驗表明 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 大學畢業(yè)設計（論文） 23 參考文獻 [1] 高春華，黃新友．納米 TiO2光催化在醫(yī)學上的應用 [J]．納米科學與產業(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)境科學與技術， 2020， 30(4)： 14~18 [3] 宋來洲，張文茂． TiO2納米膜光催化降解有機污染物的研究 [J]．燕山大學學報，2020， 27(4)： 328~330 [4] 孫曉君，蔡偉民，井立強 ， 等，二 氧化鈦半導體光催化技術研究進展 [J].哈爾濱工業(yè)大學學報， 2020， 33(4)： 534~541 [5] 尹荔松，沈輝．二氧化鈦光催化研究進展及應用 [J]．材料導報， 2020， 14(12)：23~25 [6] 于向陽，程繼健，杜永娟 ．二氧化鈦光催化材料 [J].化學世界， 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 [J]．江蘇環(huán)境科學， 2020，13(3)： 13~15 [8] 王君，韓建濤，郭寶東． TiO2 功能材料應用研究進展 [J]．鈦工業(yè)進展， 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]．現代技術陶瓷， 2020， 3： 10~12 [11] 程小蘇，曾令可，黃浪歡 ， 等．光催化的制備過程與配方優(yōu)化 [J]．華南理工大學學報， 2020， 31(2)： 14~18 [12] . Influence of chemisorption on the pHotodeposition of salicylic acid and related pounds using suspended TiO2 ceramic membranes. J. PHys. Chem.，1991， 95： 3399~3410 [13] 鐘敏，韋之豪，司平占，等．摻鐵二氧化鈦納米晶的制備及其光催化性能 [J]．硅酸鹽學報， 2020， 38(1)： 68~73 [14] K Niu， H Chu， ZB Ni et al． Preparation of ordered mesoporous TiO2 and its photocatalytic activity[J]． Nanoengineering and Nanosystems， 2020， 221， 133~137 [15] Giuseppe Cappelletti， Silvia Ardizzone， Claudia L. Bianchi et al． Photodegradation of Pollutants in Air: Enhanced Properties of NanoTiO2 Prepared by Ultrasound[J]. HEB 大學畢業(yè)設計（論文） 24 Nanoscale Research Letters， 2020， 1， 97~105 [16] Jun Wang， Ronghe Li， Zhaohong Zhang et al. Degradation of Hazardous Dyes in Wastewater using Nanometer Mixed Crystal TiO2 Powders under Visible Light Irradiation[J]. Springer Netherlands， 2020(1)： 225~237 [17] 吳溪軍 .納米材料的研究綜述 [J].黑龍江大學學報， 2020,56(8):333~335 HEB 大學畢業(yè)設計（論文） 25 致 謝 大學生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負的感覺，感慨良多。 首先誠摯的感謝我的指導老師 cp 老師，他在忙碌的教學工作中擠出時間來指導我的實驗和審查、修改我的論文。還有教過我的所有老師，他們嚴謹細致，一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不茍一格的思路給予我無盡的啟迪。 感謝四年中陪伴在我身邊的同學、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠?益建議，有了他們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實的度過四年的學習生活。