TiO2-yNx纳米光催化剂的制备及其可见光响应机理.pdf

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1、第27卷第12期应用化学Vo1．27No．122010年12月CHINESEjoURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYDec．2O1O．TiO2一Nx纳米光催化剂的制备及其可见光响应机理王城英姜洪泉李井申卢智宇闫盼盼(哈尔滨师范大学化学化工学院哈尔滨150500)摘要利用溶胶一凝胶技术，以尿素为氮源，采用原位掺杂方式制备了TiO⋯N纳米粉体；以亚甲基蓝(MB)溶液在可见光F的光催化降解评价其可见光催化活性；考察了体系初始pH值、N的掺杂量和焙烧温度对样品可见光催化活性的影响。结合XRD、XPS、ESR和DRS测试技术，研究了N掺杂纳米TiO的可见光响应机

2、理。研究结果表明，TiO⋯N纳米粉体的优化制备工艺条件为：体系初始pH=0．52，掺杂比n(N)：n(Ti)：1：6，焙烧温度为440℃。此条件下制备的样品N含量为0．77％，为单一的锐钛矿相，平均粒径为19．0gin，具有良好的可见光催化活性。N掺杂导致TiO，纳米粉体的表面羟基含量增加，形成了大量束缚单电子的氧空位；N取代晶格O形成了N—Ti～O和0一N—键合结构。N掺杂导致TiO纳米粒子的吸收带边红移，对可见光的吸收能力明显增强，这表明N掺杂改变TiO：电子结构，使带隙窄化，降低光响应阈值。N掺杂TiO纳米粒子的可见光响应归因于N取代掺杂形成的掺杂能级与氧

3、空位形成的缺陷能级共同作用所致。关键词纳米TiO，氮掺杂，溶胶一凝胶，可见光响应，光催化中。图分类号：O614．4；0643．3文献标识码：A文章编号：1000-0518(2010)12．1413-06DOI：10．3724／SP．J．1095．2010．00038近年来，光催化氧化技术作为一种高级氧化技术，为解决日益严重的环境污染和能源危机带来新机遇。在众多半导体光催化材料中，纳米TiO，具有光催化效率高、氧化还原能力强、化学稳定性好、耐光腐蚀性、生物无毒性、价格便宜、原料易得等优点，最具应用开发潜能。然而，纳米TiO的禁带宽度大(锐钛矿TiO，为3．2eV)

4、，仅响应波长小于387llm的紫外光，太阳光谱中紫外光只占5％左右，太阳能利用率低；光生载流子的复合速率快，载流子的界面电荷转移率低，导致光量子效率低；这些缺点严重制约了光催化技术的实用化进程。如何将纳米TiO。的光响应范围拓宽至可见光区、抑制光生载流子的复合、提高量子化效率进而提高纳米TiO的可见光催化活性，成为目前世界范围的研究热点之一。非金属掺杂是拓宽纳米TiO，的光谱响应范围至可见光区的有效手段。1986年Sato等发现N掺杂可使TiO具有可见光活性，但一直未引起重视，直至2001年Asahi等在《Science}上报道N替代少量的晶格氧可使TiO：带隙

5、变窄，产生可见光活性。由此，非金属对TiO掺杂改性得到广泛研究。研究表明，N、S、F、B、I、C等非金属掺杂均能不同程度地改善纳米TiO的可见光催化活性，其中以N掺杂TiO体系的研究最活跃j。N掺杂方法包括溶胶一凝胶法、离子注入法、溅射法、化学气相沉积、分解含N的有机前驱物等，其中溶胶．凝胶法，能满足TiO纳米结构的要求，具有纯度高、均匀性好且化学计量可控等优点。目前，对于N掺杂TiO可见光响应的机理尚存在争议。Asahi等认为N。轨道与O轨道杂化导致TiO的禁带变窄，是N掺杂TiO对可见光响应增强的原因；lrie等提出N取代了TiO晶格中的部分0原子，在价带上

6、方形成了一个独立的窄的N能带，导致N掺杂TiO粉体对可见光产生响应；Ihara等。。认为掺杂的N取代了TiO晶界上的氧空位，阻止氧空位再次氧化，氧空位是其光响应范围扩展到可见光区的关键；Sato等则将N掺杂TiO，粉体的可见光响应归因于NO等的杂质敏化。本文以开发具有可见光催化活性的粉体为目的，采用酸催化的溶胶一凝胶技术，以钛酸四丁酯和尿素为原料，建立了TiO⋯N纳米粉体的原位掺杂制备工艺；利用多种表征手段，研究了制备粉体的晶相结构、晶粒尺寸、表面态及光吸收性能，并探讨了TiO⋯N纳米粉体的可见光响应机制。为进一步开发设计新型可见光响应高活性光催化材料提供理论指

7、导和实验技术支持．20104)1—18收稿，201O-047修同黑龙省教育厅科学技术研究项目(J155¨15)，哈尔滨师范大学青年学术骨于资助计划项日(08XBSK89)通讯联系人：姜洪泉，男，教授；E—mail：h，q．jiangl119@I63．-onl；研究方向：环境功能纳米材料的制备及应用技术应用化学第27卷1实验部分1．1试剂和仪器钛酸四丁酯、无水乙醇、尿素和浓硝酸均为分析纯试剂；亚甲基蓝和氢氧化钠均为化学纯，二次蒸馏水(自制)。UV762型紫外一可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)；ShimadzuXRD-6000型转靶x射线衍射仪(日本岛津)

8、；PHI5700型(ES