二次煅燒法制備二氧化鈦-碳復(fù)合材料及其光催化性能的研究.pdf

1、2001年Asahi等報道了用氮(N)取代二氧化鈦(TiO2)晶體中的晶格氧(O)能夠顯著提高催化劑的可見光光催化效率,這引起科學(xué)研究者對非金屬元素?fù)诫sTiO2的極大關(guān)注。除了N以外,在TiO2中摻雜其它非金屬元素(如摻B、F、C、S和I)同樣使得可見光光催化效率得以顯著提高。在眾多非金屬元素中,碳因其來源廣泛而受到越來越多的關(guān)注。通常,碳的作用機制有兩種:光敏化作用和摻雜效應(yīng)。兩種機制均使材料的光吸收拓展至可見光區(qū)。本論文主要研究內(nèi)容

2、包括:以鈦酸四丁酯為鈦源,分別以酚醛樹脂(resorcinol-formaldehyde resin,簡寫RF)為碳源和聚乙二醇(Polyethylene Glycol,簡寫PEG)為碳源,制備了一系列具有可見光響應(yīng)的二氧化鈦/碳(TiO2/C)復(fù)合材料,研究了熱處理條件對材料結(jié)構(gòu)、形貌的影響以及對材料的可見光吸收能力和可見光光催化性能影響,并對光催化作用機理作了初步探討。
　　具體的研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　1、將溶膠-凝

3、膠法制備的TiO2溶膠和半沉化的RF在室溫下混合均勻,干燥后將其在氬氣保護(hù)下經(jīng)高溫焙燒處理,然后在空氣中二次煅燒制備得到一系列TiO2/C復(fù)合材料。采用X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、熱分析(TA)、X射線光電子能譜(XPS)和紫外可見吸收光譜(UV-Vis DRS)等手段對該復(fù)合材料進(jìn)行表征。以甲基橙(MO)和丙烯為模型污染物,評價樣品的可見光(λ≥420 nm)光催化活性。XRD結(jié)果顯示,采用此方法所制備的TiO2/

4、C復(fù)合材料的顆粒尺寸隨著碳含量的增加而減小。XPS分析結(jié)果表明,以RF為碳源,經(jīng)不同第二次焙燒溫度處理后所得樣品中C元素的存在形式不同。焙燒溫度為300℃時,主要以碳物種(如C-OR(H), C=O, C-OOR(H))形式存在,吸附于TiO2表面;隨著熱處理溫度的升高,C逐步摻雜進(jìn)入TiO2晶格中,我們認(rèn)為C取代Ti,對光催化活性具有一定抑制作用。由UV-Vis吸收光譜圖可知,所制備得到的C改性TiO2樣品均具有強的可見光吸收。我們將

5、樣品可見光吸收增強及范圍拓寬的原因歸于:TiO2表面存在的大量碳物種作為敏化劑促進(jìn)可見光吸收。另外,我們考察了第一次熱處理溫度、第二次熱處理時間和溫度對催化劑活性的影響。結(jié)果顯示,第一次熱處理最佳溫度是600℃,第二次熱處理最佳時間是1小時,最佳煅燒溫度是400℃。
　　2、作為對比,不引入外來碳源直接以TiO2溶膠作為前驅(qū)體,同樣用二次熱處理法,制備了一系列C-TiO2復(fù)合材料。結(jié)果表明,只有那些二次熱處理溫度為400℃的樣品對

6、MO的降解具有較高的可見光光催化活性,這主要歸因于俘獲單電子氧空位和適當(dāng)含量的碳物種的協(xié)同作用促進(jìn)光生電荷得到有效轉(zhuǎn)移。
　　3、選擇分子量分別為400和1000的PEG作為碳源來制備TiO2/C復(fù)合材料。結(jié)果顯示,用PEG做為碳源制備的碳改性TiO2催化劑的光催化活性受表面所含碳物種的含量和碳摻雜位置共同影響。第二次煅燒溫度為300℃處理的樣品在200-800nm較寬的范圍內(nèi)有強的可見光吸收,并且在可見光催化降解甲基橙的實驗中活