微波輔助N、S共摻雜納米TiO2制備、表征及光催化性能研究.pdf

1、在全球性環(huán)境污染和能源危機日趨嚴(yán)重的今天，如何有效利用太陽能來治理污染已引起世界各國的廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體氧化物多相光催化技術(shù)，因具有能廣泛地利用太陽能，并且能耗低、反應(yīng)條件溫和、操作簡便、無二次污染、特別對生物難降解有機污染物具有很好的氧化降解作用等突出特點，已成為環(huán)境污染控制和治理方面的研究熱點。在眾多的半導(dǎo)體氧化物中，TiO2因其良好的光電特性，光照射下能夠被光子激活，在表面發(fā)生很強的氧化(或還原)作用，將絕大多數(shù)有機污染物降解并最終

2、完全礦化為CO2、H2O和其他一些無機小分子物質(zhì)而消除對環(huán)境的污染，以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無毒、來源豐富等特點，使之成為目前最為廣泛和成熟的半導(dǎo)體氧化物材料之一。然而，TiO2的禁帶寬度較大（銳鈦礦型TiO2的Eg≈3.2eV），光催化僅限于紫外光區(qū)，而太陽光中紫外光(300nm~400nm)的含量只占3％~4%，太陽能利用率低；并且量子產(chǎn)率同樣較低。因此，本文擬采取摻雜的方式制備高性能的TiO2催化材料，以提高其光催化效率。
　

3、　本文首先簡要介紹了半導(dǎo)體光催化的基本原理，在總結(jié)和評述了提高半導(dǎo)體光催化總量子效率和太陽能利用率的各種方法及其研究進展和面臨的主要問題的基礎(chǔ)上，采用廉價易得的無機鹽TiCl4為鈦源，硫脲為均相沉淀劑并提供硫元素，在微波輻照下合成了S摻雜的納米TiO2前驅(qū)體，然后在NH3/N2氣氛中經(jīng)程序升溫的煅燒處理得到N、S共摻雜納米TiO2光催化劑。以納米TiO2的平均晶粒度、晶相結(jié)構(gòu)和光催化活性為指標(biāo)，考察了TiCl4初始濃度、微波作用功率、微

4、波作用時間、微波作用溫度以及NH3/N2氣氛中氮化溫度等因素對制備的光催化劑性能的影響，得到N、S共摻雜納米TiO2制備的最佳工藝條件：初始c(Ti4+)為0.9 mol·L-1，微波作用功率900W，微波作用時間0.5h，微波作用溫度95℃，NH2/N2氣氛中高溫氮化溫度500℃。
　　采用XRD、UV-Vis/DRS、FT-IR、XPS、TG-DTA和TEM等現(xiàn)代分析測試手段對所制備的N、S共摻雜納米 TiO2結(jié)構(gòu)和性能進行表

5、征。結(jié)果表明，所制備的N、S共摻雜可見光響應(yīng)納米TiO2光催化劑為銳鈦礦型和金紅石型的混晶，晶?；境是蛐位蝾惽蛐?，平均晶粒度在15~20nm之間；N元素以兩種摻雜態(tài)存在：一種是以N3-替位取代O2-進入TiO2晶格形成Ti-N-Ti聯(lián)接的摻雜態(tài)，另一種是通過化學(xué)吸附NH3或NH4+進入晶格原子間隙產(chǎn)生的摻雜態(tài)；S元素摻雜以S6+取代Ti4+進入TiO2晶格，使晶格局部畸變，導(dǎo)致TiO2的帶隙變窄；而N、S共摻雜納米TiO2具有可見光催

6、化活性是因為N、S元素的摻雜在禁帶形成了新的雜質(zhì)能級，使光催化劑的吸收邊帶紅移至500~550nm處。
　　摻雜N、S元素的納米 TiO2具有較強的光催化活性，光催化劑對甲基橙的可見光催化降解滿足準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，且N、S元素的共摻雜對光催化劑的可見光催化活性具有協(xié)同作用。
　　同時，離子液體的添加對光催化劑的晶相組成有很大影響，并且有助于N、S元素的摻雜；添加陰離子為[BF4]-的離子液體可以引起F-吸附在TiO2表面的F