火焰CVD法制備氮摻雜納米二氧化鈦及其光催化和電化學(xué)性能研究.pdf

1、光催化納米材料在環(huán)境污染、太陽(yáng)能、自清潔等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景從而吸引了眾多科學(xué)家對(duì)其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行了深入的探索。其中以二氧化鈦(TiO2)為代表的光催化劑因其成本低、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、安全無(wú)毒、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)成為光催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是由于TiO2的能隙為3.2 eV,只能利用僅占太陽(yáng)光能5％的紫外線部分,因此TiO2利用太陽(yáng)光的效率受到很大限制。通過(guò)對(duì)TiO2摻雜改性,是使其活性范圍由紫外光區(qū)向可見(jiàn)光區(qū)擴(kuò)展,已成為近幾年

2、來(lái)的研究重點(diǎn)。
　　 非金屬離子摻雜由于其較好的可見(jiàn)光響應(yīng)引起了許多科研工作者的關(guān)注。氮摻雜TiO2的研究是非金屬離子摻雜研究較多、也是被認(rèn)為是降低二氧化鈦能帶效果較好的一種方法。本文以氨氣為氮源、TiCl4為T(mén)iO2前驅(qū)體,采用火焰化學(xué)氣相沉積(FCVD)法,在丙烷／空氣湍流火焰中氧化制備氮摻雜納米二氧化鈦(TiO2)顆粒,由此制得產(chǎn)物的突出特性是工業(yè)化程度高、反應(yīng)速度快、能耗低、產(chǎn)物不需要進(jìn)行后處理等優(yōu)點(diǎn)。采用XRD、TEM

3、、UV-Vis、XPS等多種表征手段對(duì)制得產(chǎn)物進(jìn)行了表征,以染料為目標(biāo)污染物,系統(tǒng)評(píng)價(jià)了自制光催化劑在紫外、可見(jiàn)光照條件下的光催化活性及其在生物傳感器中的應(yīng)用。內(nèi)容主要分以下三個(gè)部分:
　　 (1)將FCVD法(一步合成法)制備的摻氮TiO2納米顆粒與FCVD／高溫?zé)Y(jié)法(兩步合成法)制備的氮摻雜TiO2納米顆粒之間的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行比較。TiO2中金紅石結(jié)構(gòu)的多少直接影響光催化效果,當(dāng)金紅石含量在40％左右有最佳的光催化效果；XR

4、D結(jié)果表明隨著溫度的升高,金紅石的含量也升高,因此煅燒溫度為450℃時(shí)為最佳溫度。用紫外-可見(jiàn)吸收光譜進(jìn)行表征,結(jié)合元素分析法結(jié)果表明:與煅燒法相比,相同氨氣流量下火焰CVD法制備氮摻雜納米TiO2的N摻雜量高、可見(jiàn)光吸收強(qiáng)。
　　 (2)TiO2中摻氮量的多少直接影響光催化劑在可見(jiàn)光下的催化效果。調(diào)整氨氣的流量,用FCVD法制備出不同含氮量的TiO2納米顆粒,并在紫外／可見(jiàn)光照射下對(duì)羅丹明B進(jìn)行降解,研究結(jié)果表明:和純TiO2

5、相比較,所制得的摻氮TiO2在400nm-500nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)有一條新的吸收帶,且隨著氮含量的增加,樣品對(duì)可見(jiàn)光的吸收強(qiáng)度逐漸加強(qiáng),相應(yīng)的能帶值逐漸下降,主要因?yàn)槭强赡苁堑獡诫s形成的氧空位導(dǎo)致二氧化鈦禁帶寬度變窄。在可見(jiàn)光照射下,摻氮TiO2的光催化效率達(dá)到75.16％,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于商用P25在可見(jiàn)光下對(duì)羅丹明B的催化效率(22.91％)。
　　 (3)將納米二氧化鈦(TiO2)和辣根過(guò)氧化物酶(HRP)固定玻碳電極上制備制備生

6、物傳感器,對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。用紫外.可見(jiàn)吸收光譜進(jìn)行表征,結(jié)合循環(huán)伏安測(cè)試的結(jié)果表明:TiO2發(fā)揮了自身優(yōu)秀的生物相容性和電子傳遞性的特點(diǎn),吸附在該納米結(jié)構(gòu)上的HRP保持了良好的生物活性,并實(shí)現(xiàn)了直接電子轉(zhuǎn)移。進(jìn)一步研究可知該生物傳感器對(duì)H2O2具有良好的生物催化活性,H2O2檢測(cè)的線性范圍為2.0×10-6至1.5×10-5mol L-1,檢測(cè)限為2.0×10-7mol L-1(信噪比S／N=3)。米氏常數(shù)(KappM)為0.0