TiO₂具有較高的光催化活性,化學穩(wěn)定性強,沒有毒害作用,能耗低等優(yōu)點越來越受到人們的關注。但是,由于二氧化鈦的禁帶寬度較寬（3.2eV）,導致其光譜吸收范圍較窄,只有在紫外光下才能表現(xiàn)出相應的光催化活性,然而紫外光僅占太陽光的5%,因此其光催化效率較低。另外光生載流子的復合概率較高,也限制了二氧化鈦光催化處理污染物的實際應用。離子摻雜能提高二氧化鈦光催化效率,稀土原子摻雜二氧化鈦可以明顯拓寬光譜響應范圍,使其吸收波長向可見光方向移動。分子模擬技術能夠從原子角度計算出材料的電子結構,闡述其光催化反應的機理,為理論研究奠定基礎,并且能夠預測催化劑的反應活性。本論文通過Materials Studio計算軟件的CASTEP模塊計算了La,Ce,Pr,Sm,Gd和Tm等稀土元素摻雜的TiO₂本體能帶結構,從電子結構方面闡述了稀土摻雜TiO₂光催化反應機理,并且預測了其光催化反應活性�；诶碚撃M結果,采用多種制備方法制備了具有不同分散度、不同形貌的TiO₂納米材料,考察了其對目標污染物亞甲基藍的光催化活性... 

【文章來源】：重慶理工大學重慶市

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

光催化性能評價裝置

重慶理工大學碩士學位論文22型，模型中的一個Ti原子由稀土原子替代，建立了純TiO2,Ti7XO16超晶胞。主要研究的是稀土元素電子組態(tài)Ti:3s23p63d24s2，O:2s22p74，Ce:4f15s25p65d16s2,Gd:4f75d16s2，La:5s25p65d16s2。所有計算都在倒格矢空間進行。摻雜前后晶體模型如圖3.1所示。（a）（b）圖3.1（a）純金紅石TiO2計算模型，（b）稀土元素單摻雜計算模型3.3結果與討論3.3.1不同稀土摻雜TiO2帶隙規(guī)律根據(jù)第一性原理，稀土元素電子組態(tài)會影響金紅石相TiO2的帶隙寬度，并且其能級容易同時出現(xiàn)在鄰近的價帶和導帶的多個位置，從而產(chǎn)生多個帶隙。光激發(fā)時稀土摻雜的金紅石相TiO2電子躍遷形式是多種多樣的，電子-空穴對的復合的概率應該遠遠的高于計算的最小帶隙。然而，大多數(shù)禁帶寬度太窄，稀土元素本身具有光敏特性，可以被非常低的光能激發(fā)，所以對這部分帶隙無需過多研究，起主要作用的是費米能級左右兩側的較大帶隙也就是最小帶隙。圖3.2顯示的是計算的不同稀土摻雜TiO2帶隙圖，其中上下是橫線分別表示導帶和價帶的位置，中間為所計算出的帶隙值。帶隙減小，能產(chǎn)生“紅移”效應，并且?guī)督档偷脑蕉�，“紅移”就越明顯，圖3.2中稀土摻雜金紅石相TiO2帶隙值均有所減小，稀土離子摻雜能夠使金紅石相TiO2吸收帶發(fā)生較明顯的“紅移”，提高了金紅石相TiO2光催化活性。

3稀土摻雜TiO2的理論模擬計算23圖3.2純金紅石相TiO2和稀土元素摻雜金紅石相TiO2的帶隙圖3.3.2稀土摻雜前后能帶結構計算得到的銳鈦礦，金紅石，釓摻雜銳鈦礦和釓摻雜金紅石能帶結構如圖3.3所示，零點為費米能級。圖（a）中顯示，銳鈦礦TiO2的帶隙值為2.14eV，價帶頂在0.121eV處，導帶底在2.261eV處，與實驗報道值3.23eV相比小的多；從圖（b）可知，金紅石相TiO2屬于直接帶隙半導體材料，金紅石相TiO2的帶隙值為1.944eV，價帶頂在0.057eV處，導帶底在2.001eV處，實驗測得的金紅石TiO2的帶隙值為3.0eV，也出現(xiàn)其計算值小于實驗值的情況，這是因為用廣義梯度近似計算的時候，對體系激發(fā)態(tài)的考慮有一定的欠缺，沒有辦法完全描述出真實多電子相互作用能，所以廣義梯度近似計算得到的結果往往小于實驗值，但計算結果是可靠的[113]。由圖（c）可知，釓摻雜銳鈦礦TiO2價帶頂在0.028eV處，導帶底在2.006eV處，其禁帶寬度為1.978eV，從圖（4）中可以看出釓摻雜金紅石TiO2價帶頂位和導帶底位都位于G點處，摻雜后的金紅石相TiO2仍為直接帶隙半導體。其價帶頂0.456eV處，導帶底在2.346eV處。由4幅圖我們可以看出，釓摻雜后，無論是銳鈦礦還是金紅石，其禁帶寬度均有所減校帶隙值的減小可以使電子從價帶躍遷到導帶的能量減小，能夠提高其光催化活性。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]TiO2可見光催化研究進展及其應用前景[J]. 何東林,黃洪,鐘理.  化工進展. 2015(S1)
[2]A review of TiO2 nanoparticles[J]. GUPTA Shipra Mital,TRIPATHI Manoj.  Chinese Science Bulletin. 2011(16)
[3]二氧化鈦光催化劑的制備研究[J]. 李鵬飛,袁福根.  蘇州科技學院學報(自然科學版). 2008(04)
[4]載體對Pt,Pd催化氧還原反應影響的DFT研究[J]. 李莉,魏子棟,章毅,齊學強,夏美榮,張捷,邵志剛,孫才新.  中國科學（B輯:化學）. 2008(09)
[5]可見光響應氮摻雜TiO2光催化劑的水熱法制備與性能[J]. 王宜超,劉中清,燕青芝,李振華,葛昌純.  北京科技大學學報. 2008(05)
[6]稀土離子摻雜對納米TiO2光催化制氫活性的影響[J]. 黃翠英,張瀾萃,李曉輝.  催化學報. 2008(02)
[7]Pr3+,Hor3+摻雜TiO2納米粒子的光催化性能[J]. 周藝,李志偉,徐協(xié)文.  湖南師范大學自然科學學報. 2003(02)
[8]納米級TiO2光催化凈化大氣環(huán)保涂料的研制[J]. 邱星林,徐安武.  中國涂料. 2000(04)
[9]TiO2納米粉體的制備及光催化活性[J]. 沈偉韌,賀飛,趙文寬,王怡中,方佑齡.  武漢大學學報(自然科學版). 1999(04)
[10]TiO2光催化劑的可見光敏化研究[J]. 張峰,李慶霖,楊建軍,張治軍.  催化學報. 1999(03)

博士論文
[1]電解析氣催化材料的結構設計及性能研究[D]. 熊昆.重慶大學 2015
[2]銀、氮修飾二氧化鈦基納米材料的制備、結構和可見光催化性能[D]. 高遠鵬.武漢大學 2013
[3]金紅石型TiO2（110）表面光傕化反應的分子尺度的機理的研究[D]. 紀永飛.中國科學技術大學 2013

碩士論文
[1]稀土元素摻雜二氧化鈦光學材料的結構和光學特性研究[D]. 魏志寧.中國礦業(yè)大學 2015
[2]稀土釓、釔摻雜二氧化鈦納米管光致發(fā)光及光催化性能的研究[D]. 顧銘.重慶大學 2015
[3]微球型TiO2的超聲制備、表征及光催化降解內(nèi)分泌干擾素雙酚A的研究[D]. 葉長英.重慶理工大學 2011
[4]添加納米二氧化鈦對硅橡膠抗菌性影響的實驗研究[D]. 李蓓.第四軍醫(yī)大學 2008



本文編號：3548876