物理化学创新实验材料

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1、1・二氧化钛作为一种高效率、低毒害、价廉的光催化剂，受到越来越多的人们的关注，并在近年来取得了很大的研究进展。二氧化钛能够在能量较高的紫外光的照射下激发，产生光生电子一空穴对，这一些电子和空穴具有极强的氧化还原性,它们能够和二氧化钛表面所吸附的水、氧气以及有机污染物发生一系列的氧化还原反应。通过这些反应，二氧化钛表面所吸附的冇机污染物最终会被降解为无毒的小分了，例如CO2、H2O等。但是，二氧化钛在日常生活中的应用受到两个因素影响。其一，二氧化钛的禁带宽度比较大(锐钛矿禁带宽度约为3.2eV),需要用紫外光照射才能够激发产生光电子和空穴，然而紫外光在太阳光所

2、占的比例却是非常小的。另外，二氧化钛通过紫外光激发产生的光生电子一空穴对非常地活泼极易复合，这同样影响着二氧化钛的光催化活性。因此，如何扩宽二氧化钛的光响应范围，降低光生电了和空穴的复合率，成为提高二氧化钛光催化性能和拓宽其应用范围的一个重点问题。为了解决上述问题，需耍对二氧化钛进行改性。目前，二氧化钛的改性方法有很多种，在本文中主要采用离子表面掺杂、离子梯度掺杂和二氧化硅改性这三种方法对其进行改性。离子掺杂改性不但可以扩宽二氧化钛的光响应范围，而且可以抑制光生电子和空穴的复合率，从而提高二氧化钛的光催化活性。离了的梯度掺朵可以通过改变掺朵离了的浓度分布，使

3、光生电子空穴更容易转移到表而进行催化反应，同时也可以防止因表而掺杂离子过多而导致的负面影响。二氧化硅改性可以增大复合材料的比表面积,增大孔体积,同吋能够提高锐钛矿的热稳定性，这些均有利于提高二氧化钛的光催化活性。木文掺杂所用的离子包括金属离子Ag、Co、Ce和非金属离子B,通过对比它们单独掺杂、共掺杂和梯度掺杂的复合薄膜对染料的降解情况，來研究其光催化反应的机理。论文的研究工作主要包括以下几个方而：(1)复合薄膜的制备及性能研究本实验所用的Ti02胶体和SiCb胶体均采用溶胶一凝胶法制备，其相应的复合薄膜采用浸渍提拉法在玻璃基底上制成。根据掺杂改性后的TiC

4、h薄膜对染料的降解情况，來确定Ag、Co>Ce>B离子单独掺杂的最佳浓度及共掺杂的最佳配比，并依据所得最佳浓度或配比，來确定叠层薄膜和梯度掺朵对光催化活性的影响情况。通过实验研究发现，将上述几种离子共掺朵Z后，复合微叠层薄膜或梯度掺杂薄膜的光催化性能有了很大的提高，并且复合薄膜的光响应范围增大。(2)复合薄膜的表征木实验使用了紫外一可见分光光度计(UV・vis)、差热一热重分析仪(DTA-TG)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE・SEM)、荧光光谱仪(PL)、氮气吸附■脱附仪(BET)等手段，对复合薄膜的结构和光学性质进行了表征和探索，并对改性后

5、的反应机制进行了一定的探讨。在TiO2的各种晶型中，只有锐钛矿具有光催化活性。实验结果表明，如果只进行离子掺杂，金红石及板钛矿的含量明显的减少，锐钛矿含量增加并且峰型更加明显；而当冇SiCh加入到材料中后，金红石和板钛矿则会全部消失，表现出单一的锐钛矿型。另外，无论离了的掺杂改性或是SiCh的改性，都可以减轻TiCh薄膜的表而团聚现象，使其表而变得平整，粒径分布均匀，并且述可以使材料的比表而积增大，孔径增大。(3)光催化机理的探讨对TiO?薄膜进行离子掺杂改性后，其光催化性能得到显著提高，可以推测出掺杂离子后，二氧化钛结构的发生了变化,从而影响了薄膜的光催化

6、性能。对TiCh进行离子掺杂时，掺杂的离子可以进入TiCh的晶格中，引起晶格畸变，从而可以生成更多电了空穴。另外，掺朵的离子述可以在TiO2的表而成为电子的吸附位点，阻碍光生电子和空穴的复合。对于梯度掺杂的薄膜，则是因为掺杂离子浓度在薄膜内的梯度排布，使光生电子空穴更容易迁移到薄膜表面进行催化反应，同吋这样也能充分利用掺杂离子，不会使过多离子聚集在薄膜表而，成为光生电子空穴的复合屮心，影响光催化反应速率。而微叠层薄膜所表现出的优界的光催化活性主要是因为层与层之间的界面效应抑制了电子和空穴的复合，同吋加入的SiO2可以为材料提供更大的比表面积,使材料的光催化活

7、性更进-步得到提高。2•采用AcHE法合成了添加低浓度的锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、艳(Cs)、镁(Mg)、钙(Ca)、锂0)、铝(A1)、硅(Si)、铁(Fe)、钻(Co)、镰(Ni)、锌(Zn)、铜(6)、金(Au)、耙(Pa)、齟Mn)、锡(Sn)、肺(Ce)、铝(Mo)、锹W)、祕(Bi)、侧(La)、轮(Y)等23种元素的离了的二氧化钛(M・TiO2)材料，其中，各离了的添加浓度和同。XRD结果表明，该方法合成的二氧化钛材料均为锐钛矿结构，品粒尺寸为10-15nm,低浓度金属离子的引入不会对二氧化钛的结构造成影响。通过在紫外光下催化降解亚甲基

8、蓝光的反应,比较了M-TIO2的光催化活性。结果表明