本文關(guān)鍵詞：稀土摻雜納米TiO_2制備、結(jié)構(gòu)與光催化性能，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在環(huán)境保護(hù)應(yīng)用方面,因納米TiO2光催化半導(dǎo)體材料清潔且無(wú)二次污染已成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)。但因納米TiO2禁帶寬度大,限制了它的廣泛應(yīng)用,為此許多學(xué)者對(duì)納米TiO2的改性進(jìn)行了諸多研究。由于稀土能級(jí)比較豐富,本研究采用溶膠-凝膠法制備了稀土Sm3+、Y3+、Pr3+、Gd3+的單摻雜和Sm-Gd、Sm-Y共摻雜納米TiO2光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物。采用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)如TG-DTA、XRD、UV-Vis、TEM、IR等研究樣品組成、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系。采用正交實(shí)驗(yàn)研究光催化環(huán)境對(duì)催化效率的影響,探討稀土摻雜提高納米Ti02的光催化機(jī)理,研究了摻雜納米TiO2光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。 在Sm3+摻雜納米TiO2研究中,采用溶膠-凝膠法制備Sm3+摻雜納米TiO2光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物,通過正交實(shí)驗(yàn)法和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),探討熱處理溫度、稀土摻雜量、光催化實(shí)驗(yàn)環(huán)境、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)TiO2光催化性能的影響。結(jié)合TG-DTA和XRD分析確定本文光催化劑熱處理方法是在520℃處保溫2h,Sm3+摻雜TiO2平均晶粒尺寸均小于未摻雜TiO2,未摻雜TiO2平均粒徑為22.01nm。正交實(shí)驗(yàn)表明,影響Sm3+摻雜TiO2光催化性能主次因素是：亞甲基藍(lán)溶液的初始濃度溶液的pH值催化劑的加入量,通過極差分析確定最佳光催化實(shí)驗(yàn)外部環(huán)境為：0.25g(催化劑)/50m1(MB溶液)、pH=8、MB初始濃度=5mg/L。隨Sm3+摻雜量的增加,降解率先增加后降低,最佳摻雜量為0.1m01%的S3樣品降解率高達(dá)95.16%,該光催化降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,Sm3+摻雜納米TiO2晶格出現(xiàn)不同程度的畸變和對(duì)紫外-可見光的吸收邊發(fā)生不同程度的紅移,其中S3紅移量最大為20nm。TEM分析表明,純相及S3樣品顆粒均為球形,平均粒徑約為20nm,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,主晶相為四方晶系的銳鈦礦與XRD分析一致。部分Sm3+離子進(jìn)入TiO2晶格導(dǎo)致其晶格畸變和部分Sm3+離子以Sm2O3的形式富集在TiO2顆粒表面,形成表面光敏化結(jié)構(gòu)。 在Y3+摻雜納米Ti02研究中,采用溶膠-凝膠法制備Y3+摻雜納米TiO2光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物,通過正交實(shí)驗(yàn)法和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),探討稀土摻雜量、光催化實(shí)驗(yàn)環(huán)境、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)TiO2光催化性能的影響。Y3+摻雜TiO2平均晶粒尺寸均小于未摻雜TiO2,未摻雜TiO2平均粒徑為22.01nm。正交實(shí)驗(yàn)表明,影響Y3+摻雜TiO光催化性能主次因素是：業(yè)甲基藍(lán)溶液的初始濃度催化劑的加入量溶液的pH值,通過極差分析確定最佳光催化實(shí)驗(yàn)外部環(huán)境為：0.25g(催化劑)/50m1(MB溶液)、pH=8、MB初始濃度=5mg/L與Sm3+摻雜實(shí)驗(yàn)一致。隨Y3+摻雜量的增加,降解率先增加后降低,最佳摻雜量為0.2m01%的Y3樣品降解率為90.68%,該光催化降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,Y3+摻雜納米TiO2晶格出現(xiàn)不同程度的畸變和對(duì)紫外-可見光的吸收邊發(fā)生不同程度的紅移,其中Y3紅移量最大為18nm。TEM分析表明,Y3樣品顆粒均為球形,平均粒徑約為20nm,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,主相為四方晶系的銳鈦礦與XRD分析一致。部分Y3+離子進(jìn)入TiO2晶格間隙和部分取代TiO2晶格中Ti4-位置導(dǎo)致TiO2晶格條紋產(chǎn)生畸變。 在Pr3+摻雜納米TiO2研究中,采用溶膠-凝膠法制備Pr3+摻雜納米TiO2光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物,通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),探討稀土摻雜量、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)TiO2光催化性能的影響。Pr3+摻雜TiO2平均晶粒尺寸均小于未摻雜TiO2,未摻雜TiO2平均粒徑為22.01nm。隨Pr3+摻雜量的增加,降解率先增加后降低,最佳摻雜量為0.05m01%的P3樣品降解率為91.16%,該光催化降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,Pr3+摻雜納米Ti02晶格出現(xiàn)不同程度的畸變和對(duì)紫外-可見光的吸收邊發(fā)生不同程度的紅移,其中P3紅移量最大為17nm。TEM分析表明,P3樣品顆粒均為球形,平均粒徑約為20-30nm,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,主相為四方晶系的銳鈦礦與XRD分析一致。部分Pr3+離子進(jìn)入Ti02晶格導(dǎo)致晶格條紋畸變和部分以Pr203的形式存在于Ti02顆粒表面,形成表面光敏化結(jié)構(gòu)。 在Gd3+摻雜納米TiO2研究中,采用溶膠-凝膠法制備Gd3+摻雜納米Ti02光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物,通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),探討稀土摻雜量、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)TiO2光催化性能的影響。Gd3+摻雜TiO2平均晶粒尺寸均小于未摻雜TiO2,未摻雜TiO2平均粒徑為22.01nm。隨Gd3+摻雜量的增加,降解率先增加后降低,最佳摻雜量為0.1mol%的G3樣品降解率為94.51%,該光催化降解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,Gd3+摻雜納米TiO2晶格出現(xiàn)不同程度的畸變和對(duì)紫外-可見光的吸收邊發(fā)生不同程度的紅移,其中G3紅移量最大為20nm。TEM分析表明,本研究制備的G3樣品顆粒均為球形,平均粒徑約為20-30nm,出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,主相為四方晶系的銳鈦礦與XRD分析一致。部分Gd3+離子進(jìn)入TiO2晶格導(dǎo)致晶格條紋畸變。 在共摻雜納米TiO2研究中,采用溶膠-凝膠法制備Sm-Gd和Sm-Y共摻雜納米TiO2光催化劑,以亞甲基藍(lán)溶液為目標(biāo)降解物,通過現(xiàn)代測(cè)試技術(shù),探討摻雜方式、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)TiO2光催化性能的影響。XRD分析表明,共摻雜Ti02均為銳鈦礦,純相Ti02的平均直徑為22.01nm,共摻雜樣品的平均直徑均小于純相TiO2,稀土共摻使TiO2晶格發(fā)生畸變,Sm-Gd使TiO2晶胞發(fā)生膨脹,Sm-Gd使TiO2晶胞減小。光催化實(shí)驗(yàn)研究表明：Sm-Gd和Sm-Y共摻雜TiO2的光降解反應(yīng)在光催化劑表面進(jìn)行,且光催化效率高。 稀土單摻雜提高TiO2光催化機(jī)理是：稀土進(jìn)入Ti02晶格導(dǎo)致晶格畸變和稀土以氧化物的形式附著在TiO2顆粒表面形成表面敏化結(jié)構(gòu)。稀土進(jìn)入TiO2晶格的方式有,部分Sm3+、Yn、Pr3+、Gd3+進(jìn)入Ti02晶格間隙和部分Y3+取代Ti02晶格中的Ti4+。稀土進(jìn)入Ti02晶格取代Ti4+導(dǎo)致Ti02晶格中將缺少一個(gè)電子,為了達(dá)到電荷平衡,必然在近鄰形成氧空位,該空位被稀土離子所束縛,同時(shí)其它O2+因受到微擾也進(jìn)行相應(yīng)移動(dòng)。摻入的稀土離子易形成淺受主能級(jí)即在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生新的雜質(zhì)能級(jí),捕獲電子空穴,延長(zhǎng)光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合時(shí)間,提高TiO2的光量子效率。稀土元素具有f電子,對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的吸附作用,部分Sm2O3和Pr2O3富集在TiO2表面,提高TiO2表面的吸附能力,從而提高TiO2光催化效率。 稀土共摻雜提高TiO2光催化機(jī)理是：在Sm-Gd共摻雜研究中,Sm3+附著在TiO2顆粒表面形成光敏化結(jié)構(gòu),增加TiO2對(duì)有機(jī)物的吸附作用,同時(shí)Sm3+主要吸收光譜是362.5nm、374.5nm、402.0nm,因此Sm3+將吸收的可見光傳遞給TiO2提高對(duì)光量子的利用率。Gd3+進(jìn)入TiO2晶格內(nèi)導(dǎo)致晶格畸變,易形成淺受主能級(jí)即在費(fèi)米能級(jí)附近產(chǎn)生新的雜質(zhì)能級(jí),捕獲電子空穴,延長(zhǎng)光生電子-空穴對(duì)的復(fù)合時(shí)間,提高TiO2的光量子效率。在Sm-Y共摻雜研究中,由于Sm3+和Y3+附著在TiO2顆粒表面,阻礙TiO2晶體生長(zhǎng),晶格因晶胞體積變小發(fā)生畸變而產(chǎn)生捕獲光生電子或空穴的陷阱,降低光生空穴與空穴復(fù)合幾率。另一方面Sm3+和Y3+將吸收的光量子傳遞給TiO2增加晶體內(nèi)光生電子或空穴數(shù)量和稀土使TiO2顆粒對(duì)有機(jī)物吸附作用變強(qiáng)。因此該共摻雜光催化劑能在較短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)亞甲基藍(lán)的降解。
【關(guān)鍵詞】：納米TiO_2 Sm~(3+)摻雜 Y~(3+)摻雜 Gd~(3+)摻雜 Pr~(3+)摻雜 Sm-Y共摻雜 Sm-Gd共摻雜 結(jié)構(gòu)與光催化性能關(guān)系 UV-Vis吸收譜
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：O614.411
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 緒論15-34
• 1.1 本課題研究的目的及意義15-16
• 1.2 TiO_2的結(jié)構(gòu)、光催化機(jī)理及其應(yīng)用16-23
• 1.2.1 TiO_2的結(jié)構(gòu)特性16-18
• 1.2.2 TiO_2光催化機(jī)理18-21
• 1.2.3 TiO_2的光催化應(yīng)用21-23
• 1.3 TiO_2光催化劑的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)23-30
• 1.3.1 納米TiO_2的制備方法23-24
• 1.3.2 TiO_2光催化活性的影響因素24-28
• 1.3.3 拓寬納米TiO_2可見光響應(yīng)范圍的途徑28-30
• 1.4 TiO_2光催化劑結(jié)構(gòu)與性能表征30-31
• 1.4.1 差熱-熱重分析(TG-DTA)30
• 1.4.2 X射線衍射分析30-31
• 1.4.3 透射電子顯微鏡分析31
• 1.4.4 紫外-可見光光譜31
• 1.4.5 紅外光譜分析31
• 1.5 實(shí)驗(yàn)所用藥品及儀器31-32
• 1.5.1 實(shí)驗(yàn)藥品31-32
• 1.5.2 實(shí)驗(yàn)所用儀器32
• 1.6 本課題研究的主要內(nèi)容32-34
• 第2章 Sm~(3+)摻雜納米TiO_2的研究34-57
• 2.1 實(shí)驗(yàn)34-37
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)方案的確定34
• 2.1.2 Sm~(3+)摻雜TiO_2的制備34-35
• 2.1.3 光催化活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)35-37
• 2.2 結(jié)果分析與討論37-55
• 2.2.1 TG-DTA分析37-38
• 2.2.2 光催化環(huán)境研究38-41
• 2.2.3 相組成分析41-43
• 2.2.4 UV-Vis吸收光譜分析43-45
• 2.2.5 紅外光譜分析45
• 2.2.6 TEM分析45-49
• 2.2.7 影響光催化活性的因素49-54
• 2.2.8 光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究54-55
• 2.2.9 Sm~(3+)摻雜提高TiO_2光催化效率機(jī)理討論55
• 2.3 本章小結(jié)55-57
• 第3章 Y~(3+)摻雜納米TiO_2的研究57-70
• 3.1 實(shí)驗(yàn)57
• 3.1.1 Y~(3+)摻雜TiO_2的制備57
• 3.2 結(jié)果分析與討論57-69
• 3.2.1 光催化環(huán)境研究58-60
• 3.2.2 相組成分析60-62
• 3.2.3 UV-Vis吸收譜分析62-63
• 3.2.4 TEM分析63-65
• 3.2.5 影響光催化活性的因素65-67
• 3.2.6 光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究67-68
• 3.2.7 Y~(3+)摻雜提高TiO_2光催化效率機(jī)理討論68-69
• 3.3 本章小結(jié)69-70
• 第4章 Pr~(3+)摻雜納米TiO_2的研究70-80
• 4.1 實(shí)驗(yàn)70
• 4.1.1 Pr~(3+)摻雜TiO_2的制備70
• 4.2 結(jié)果分析與討論70-78
• 4.2.1 相組成分析70-72
• 4.2.2 UV-Vis吸收譜分析72-73
• 4.2.3 TEM分析73-75
• 4.2.4 影響光催化活性的因素75-76
• 4.2.5 光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究76-77
• 4.2.6 Pr~(3+)摻雜提高TiO_2光催化效率機(jī)理討論77-78
• 4.3 本章小結(jié)78-80
• 第5章 Gd~(3+)摻雜納米TiO_2的研究80-90
• 5.1 實(shí)驗(yàn)80
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)方案的確定80
• 5.2 結(jié)果分析與討論80-88
• 5.2.1 相組成分析80-82
• 5.2.2 UV-Vis吸收譜分析82-83
• 5.2.3 TEM分析83-85
• 5.2.4 影響光催化活性的因素85-86
• 5.2.5 光催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究86-87
• 5.2.6 Gd~(3+)摻雜提高TiO_2光催化效率機(jī)理討論87-88
• 5.3 本章小結(jié)88-90
• 第6章 共摻雜摻雜納米TiO_2的研究90-97
• 6.1 實(shí)驗(yàn)90-91
• 6.1.1 共摻雜實(shí)驗(yàn)方案的確定90
• 6.1.2 共摻雜TiO_2的制備90-91
• 6.1.3 光催化活性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)91
• 6.2 結(jié)果分析與討論91-96
• 6.2.1 相組成分析91-93
• 6.2.2 光催化實(shí)驗(yàn)93-95
• 6.2.3 共摻雜光催化活性提高的機(jī)理探討95-96
• 6.3 本章小結(jié)96-97
• 第7章 全文結(jié)論及展望97-101
• 7.1 全文結(jié)論97-99
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)99
• 7.3 下一步工作建議99-101
• 參考文獻(xiàn)101-108
• 致謝108-109
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參與的科研項(xiàng)目109

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：324149