高效可見光催化劑TiO2基納米材料的制備與光電特性研究.pdf

1、TiO2是研究最多的寬帶隙半導體光催化劑之一,由于在環(huán)境凈化、清潔氫能的產(chǎn)生、降解有機污染物、太陽能電池等方面具有重要的應用前景,受到了人們廣泛的關注。但是由于TiO2禁帶較寬只能吸收紫外光,這嚴重地阻礙了它的應用和發(fā)展。為了使TiO2的光響應范圍擴展到可見光區(qū),人們做了大量的工作。自從Asahi在Science上報道了氮摻雜TiO2使其帶隙變窄,擴展了其對光的響應到可見光區(qū)以來,人們利用非金屬元素的摻雜、金屬元素的摻雜、窄帶隙半導體的

2、復合、貴金屬沉積、表面光敏化等不同的技術提高了TiO2可見光響應能力,但是人們對這類材料可見光響應的機理還存在許多爭議,需要更加深入的研究,因此本論文針對上述問題開展了以下三個方面的工作:
　　在第二章中我們利用鈦酸納米管為前軀體,通過在四種不同的氣氛下熱處理,獲得了不同表面修飾的TiO2納米材料。通過不同的表征技術如TEM、XRD、DRS、FTIR、XPS和EPR對樣品進行了詳細的研究和分析,結果顯示熱處理后四種樣品的形貌都由納

3、米管狀結構轉化為尺寸20-30nm的納米顆粒,電子衍射表明為銳鈦礦相TiO2。其中N-NTA-TiO2樣品表現(xiàn)出較強的可見光吸收性能。XPS結果顯示在N-NTA-TiO2樣品中有0.68％(原子百分比)的氮元素摻入到了TiO2的晶格。而氫化和氮化共同熱處理中后的樣品取代氮摻雜的濃度顯著提高,可見光響應最強。我們進一步對樣品可見光吸收的機理進行了研究,電子順磁共振ESR光譜結果顯示氫化后的樣品H-NTA-TiO2可見光吸收來源于束縛單電子

4、的氧空位VO·。而摻雜氮以后,樣品N-NTA-TiO2和H,N-NTA-TiO2的ESR信號中出現(xiàn)了一個三重信號峰,我們認為這個三重信號峰歸屬于摻雜的N物種和VO·。而FTIR光譜顯示四種樣品表面都存在Ti-OH鍵。綜合上述分析結果我們得出結論,束縛單電子的氧空位VO·、摻雜的N和表面Ti-OH鍵之間的協(xié)同作用共同決定了樣品具有高可見光吸收和光催化活性的能力。
　　在第三章中我們利用鈦酸鈉納米管為前軀體,先通過與氟化銨溶液離子交換

5、的方法,然后在空氣中450℃熱處理制備氮摻雜TiO2納米材料。隨后通過調節(jié)鐵離子的濃度制備了Fe和N共摻雜的二氧化鈦納米材料,考察金屬離子和氮摻雜的協(xié)同作用對TiO2納米材料可見光響應能力的影響。具體的實驗方法是用四種濃度的(0.01M/0.05M/0.1M/0.2M)硝酸鐵溶液與氮摻雜TiO2樣品進行離子交換,然后再用三次水反復沖洗至pH值為7。XRD結果分析表明Fe摻雜后材料的晶體結構僅含銳鈦礦結構,并未含有鐵的氧化物。紫外-可見(

6、UV-Vis)吸收光譜顯示Fe和N共摻雜TiO2納米材料的吸收帶邊發(fā)生明顯的紅移,可見光吸收增強。XPS結果顯示當鐵的摻雜量為5.99%(原子百分比)時,樣品的可見光吸收最強。
　　在第四章中我們以鈦酸四丁酯為原料,氫氟酸為誘導劑,采用水熱法制備了高反應晶面(001)暴露的TiO2納米片,隨后通過不同溫度(400、500、600)氨氣氣氛下熱處理制備了氮摻雜高反應晶面(001)暴露的TiO2納米片。XRD結果分析表明摻雜前后樣品的

7、晶體結構為銳鈦礦相,并沒有其它雜相生成。紫外-可見吸收光譜顯示氮摻雜后TiO2納米片的可見光吸收顯著增強。而電子順磁共振光譜結果表明在氮化過程中形成了大量束縛單電子的氧空位,對應g=2.004的順磁信號峰。在500℃熱處理的樣品具有最強的可見光響應,相應的氮摻雜濃度和束縛單電子的氧空位濃度也最大。樣品的XPS N1s圖譜顯示摻雜N物種屬于間隙摻雜的氮,結合能位于399-400eV之間,直接與晶格氧或氧空位連接。綜合上述分析結果我們認為N