稀土摻雜納米TiO2制備、結(jié)構(gòu)與光催化性能.pdf

1、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)者對納米TiO2的改性進(jìn)行了諸多研究。由于稀土能級比較豐富,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)代測試技術(shù)如TG-DTA、XRD、UV-Vis、TEM、IR等研究樣品

2、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)境對催化效率的影響,探討稀土摻雜提高納米TiO2的光催化機(jī)理,研究了摻雜納米TiO2光催化反應(yīng)動力學(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

3、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,末摻雜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)/50ml(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0.1mol％的S

4、3樣品降解率高達(dá)95.16%,該光催化降解反應(yīng)符合一級動力學(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

5、光敏化結(jié)構(gòu)。
　　 在Y3+摻雜納米TiO2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TiO2光催化性能主次因素是:亞甲基藍(lán)溶液的初始濃度＞催化劑的加入量＞溶液的

6、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)/50ml(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0.2mol%的Y3樣品降解率為90.68%,該光催化降解反應(yīng)符合一級動力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,Y3+摻雜納米TiO2品格出現(xiàn)不同程度的畸變和對紫外-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,

7、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)代測試技術(shù),探討稀土摻雜量、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對TiO2光催化性能的影響。Pr3+摻雜TiO2平均晶粒尺寸均

8、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0.05mol%的P3樣品降解率為91.16%,該光催化降解反應(yīng)符合一級動力學(xué)方程。隨著摻雜量的變化,pr3+摻雜納米TiO2晶格出現(xiàn)不同程度的畸變和對紫外-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,主相為四方品系的銳鈦礦

9、與XRD分析一致。部分Pr3+離子進(jìn)入TiO2晶格導(dǎo)致晶格條紋畸變和部分以Pr2O3的形式存在于TiO2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)代測試技術(shù),探討稀土摻雜量、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對TiO2光催化性能的影響。Gd3+摻雜TiO2平均品粒尺寸均小于未摻雜TiO2,未摻雜TiO2平均粒徑為22.01nm。隨G

10、d3+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)符合一級動力學(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

11、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)代測試技術(shù),探討摻雜方式、晶體微觀結(jié)構(gòu)等對TiO2光催化性能的影響。XRD分析表明,共摻雜TiO2均為銳鈦礦,純相TiO2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

12、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TiO2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+、Y3+、Pr3+、Gd3+進(jìn)入TiO2晶格間隙和部分Y3+取代TiO2晶格中的Ti4+。稀土進(jìn)入TiO2晶格取代Ti4+導(dǎo)致TiO2晶格中將缺少

13、一個電子,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。摻入的稀土離子易形成淺受主能級即在費(fèi)米能級附近產(chǎn)生新的雜質(zhì)能級,捕獲電子空穴,延長光生電子-空穴對的復(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

14、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,易形成淺受主能級即在費(fèi)米能級附近產(chǎn)生新的雜質(zhì)能級,捕獲電子空穴,延長光生電子-空穴對的復(fù)合時(shí)間,提高TiO2的光量子效率。在Sm-Y共摻雜研究中,