铁-锌掺杂TiO2粉末的制备及其催化性能的研究.docx

铁-锌掺杂tio2粉末的制备及其催化性能的研究第二组 指导老师:宋士涛摘要 本文采用溶胶-凝胶法（sol-gel）制备了fe3+,zn2+共掺杂的tio2 粉体，并研究了掺杂量对tio2粉体光催化性能的影响。用x射线衍射仪（xrd）和对其结构和形貌进行表征，并以甲基橙溶液为目标降解物，用紫外光和可见分光光度计对tio2粉体的光催化性能进行测定。催化实验结果表明，铁0.5%、锌1.0%的tio2粉体的催化效果最好。关键词：二氧化钛；溶胶-凝胶；掺杂；催化abstract this paper adopts sol-gel (sol - pure and gel) preparation fe+3,zn2+tio2 powders of a dopingand studied doping amount of tio2 powders photocatalytic performance influence. x-ray diffraction (xrd) and its structure and morphology，and characterized by methyl orange solution for target degradants with uv-vis spectrophotometer, tio2 powders of photocatalytic performance were determined.keywords: titanium dioxide；sol-gel；doping; catalytic 81 绪论1.1 论文研究的背景及意义 随着地球环境的恶化，人们对可有效地改善环境的光催化剂予以很大的关注。tio2光催化剂具有非常好的抗菌灭菌效果，因此备受人们的青睐。tio2有两种主要的存在形式锐钛矿型tio2和金红石型tio2材质上二者无大的差别，但在紫外线照射后的光催化效果上有明显的不同具有光催化作用的是锐钛矿型。 tio2金红石型主要是作为颜料添加剂使用，金属钛在大气中700以下加热表面生成锐钛矿型 tio2超过700转变为金红石型，另外阳极氧化生成的表面氧化膜也是锐钛矿型tio2，日常生活中可见到的带氧化膜的钛制品有建筑物屋顶、外墙、纪念碑、手表照相机、艺术品等。光催化氧化技术是一种高级氧化技术。tio2催化活性较高化学稳定性好，无污染应用范围广，是目前最具开发前途的绿色环保型催化剂。然而tio2也有其自身的缺陷：一是其禁带较宽（锐钛型eg = 32ev 金红石型eg = 302ev）只能用紫外光来激发；二是电子和空穴容易发生复合，所以光催化效率低。为了提高光催化活性必须对光催化剂本身进行改性，改性的方法有：非金属掺杂、金属和过渡金属掺杂，半导体复合和表面修饰等。通过改性可以提高激发电荷分离抑制载流子复合以提高量子效率扩大起作用光的波长范围，提高光催化剂的稳定性提高光催化反应的选择性或产率等。过渡金属元素的改性光催化剂尤其以铁，锌改性研究较多。通过铁改性不仅可以影响光致电子和空穴的分离提高其光催化效率而且可使t io2吸收带边发生红移。t io2的光催化机理：t io 2 是n型半导体, 能量高的导带底和能量低的价带顶之间有宽度为e g 的禁带。当吸收光子的能量hv大于或等于eg时, 电子就会从价带跃迁到导带, 这样就在导带上产生电子, 价带上留下空穴, 为氧化还原反应的进行提供了必要的物质条件, 因氧化还原反应的本质即为电子的得与失。这些光生电子、空穴具有一定的能量, 可以自由迁移, 当迁移至t io2表面时,易与吸附在tio2表面的o、h2o、oh- 反应生成超氧自由基( -o2- )和羟基自由基 (oh ) 等具有极强氧化还原能力的高活性基团, 从而将有机污染物催化降解为co2、h2o 等无机小分子, 达到彻底净化的目的。但是, 锐钛矿t io2的帯隙较宽 e g= 3. 2 ev ), 使其只能吸收波长小于或等于387 nm 的紫外光, 而紫外光仅占太阳光的3% 4% , 这使其光能利用率较低; 另外光生载流子易复合, 光量子产率低, 严重降低了tio2的实际应用价值。因此拓展tio2的光吸收响应范围, 抑制光生载流子复合就成为当前tio2光催化研究领域的焦点之一。2 实验部分2.1 仪器实验中所用的仪器烧杯 容量瓶 玻璃棒 吸量管 移液管 洗耳球 坩埚 研钵 分析天平箱式电阻炉循环水式真空泵hj-1型磁力搅拌器数显鼓风干燥箱玻璃仪器气流烘干器722分光光度计2.2 药品实验中所用的药品钛酸丁酯 硝酸 硝酸铁 硝酸锌 冰醋酸 无水乙醇 甲基橙 2.3 合成方法量取钛酸丁酯14ml，溶于30ml无水乙醇，磁力搅拌器剧烈搅拌10min，缓慢滴加1ml的0.1mol/l的hno3溶液，再缓慢加入铁锌混合溶液（制备时尽可能少的加入水使其完全溶解即可），铁的掺杂量为0.5%，锌的掺杂量依次为0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%。搅拌15分钟后加1ml冰醋酸，继续搅拌3小时（搅拌过程中若因水解过快而搅拌困难可再添加少量冰醋酸），静置24小时，得到湿凝胶。将得到的湿凝胶至于烘箱中于70下干燥14小时。2.4 tio2光催化剂催化降解甲基橙量取50ml一定浓度（10.0mg/l）的甲基橙溶液于小烧杯中，加入50mg所制备的tio2催化剂，用紫外可见分光光度计测其初始吸光度a0，将其置于紫外灯下，光照一段时间后取上层清液，测其吸光度a，比较光照前后吸光度值的大小并按下式计算甲基橙的降解率：dc=(a0a)/a0100%，比较各条件下制备的tio2催化剂的催化效果。2.5 样品表征利用粉末x射线（xrd）衍射方法对样品的结构进行了表征，所用仪器为d/max2500tc型x射线衍射仪。采用cu靶，波长为0.15406nm，分别对样品进行扫描。2.6样品回收抽滤降解后的3号tio2粉末和甲基橙的混合溶液，将抽滤后的粉末置于烘箱中烘干。3 结果与讨论3.1 xrd分析 由图可见，最下层标注no:01-086-0148的是金红石型tio2的标准卡片，标注no:00-021-1272的是锐钛矿型tio2的标准卡片。在500下煅烧处理后，在2=27.4(110)出现金红石型tio2特征峰，衍射峰强度很弱。3.2 掺杂元素对tio2晶型的影响将样品的衍射数据与标准的tio2粉末衍射卡（jcpds卡00-021-1272）相对照可以发现，样品均为锐钛矿型tio2，图谱中未见杂质峰，但fe3+离子、zn2+离子共掺杂-的样品在2=55.0处的分裂峰不明显。由此可知，掺杂少量元素并未影响tio2的晶型，所以可以通过掺杂少量元素的方法来提高tio2的催化效果。由此图可知，催化前后催化剂的结构并未发生较大的改变，符合催化剂的性质。3.3催化性能测试将不同铁锌掺杂量的tio2粉末对甲基橙催化降解的影响情况列于下表。表1甲基橙的吸光度-时间的变化关系组别 时间2070110150190降解率1组（锌0.5%）0.5820.4590.3160.231018169.3%2组（锌1.0%）0.5630.3900.2810.162008885.1%3组（锌1.5%）0.5760.4380.3700.291017071.1%4组（锌2.0%）0.5730.4440.3430.270021563.5%5组（锌2.5%）0.5810.3660.3170.208019666.7%将以上数据绘制于下图由上图可知当铁的掺杂量为0.5%，锌的残杂量为1%时降解率最高，且降解速率最快。4 结论本文通过溶胶-凝胶法制备了掺杂不同量fe3+和zn2+的tio2粉体，仪器表征和催化降解甲基橙的结果表明：(1)500下煅烧后已形成完全的锐钛矿型,且峰型尖锐。(2) 掺杂少量fe3+和zn2+-改性后的tio2的xrd表征显示，少量元素掺杂并未影响tio2的晶型，在500下煅烧后各样品仍为锐钛矿型，所以可通过掺杂少量元素来提高tio2的催化效果。(3) 以甲基橙溶液为目标降解物，在紫外灯下进行光催化降解，并通过紫外可见分光光度计测定其吸光度。结果表明，紫外灯照射下光催化效率最高的是掺杂fe3+0.5%，zn2+1.0%的tio2，甲基橙溶液的降解率可达85.1%。tio2是一种重要的无机材料，具有较高的折光系数和稳定的物理化学性能。以tio2做光催化剂的非均相光催化氧化有机物技术越来越受到人们的关注，被广泛地用来光解水、杀菌和制备太阳能敏化电池等。特别是在环境保护方面，tio2作为光催化剂更是展现了广阔的应用前景。目前，国内外许多研究者已从多种途径对tio2光催化剂进行改性研究，以提高其光催化活性和扩大激发光波长范围，其中掺杂是提高其催化性能最常用的方法。常用的掺杂剂有阳离子、阴离子和半导体化合物等。通过掺杂某些物质可以有效抑制e-/h+的复合几率，提高光量子效率和tio2表面的吸附能力，从而增强tio2的光催化活性。参考文献1 石宗利,徐松梅,高朋召. fe,gd 共掺杂改性tio2的可见光光催化活性j.湖南大学学报2009,36( 3):51-54.2 王铁,王曰燕,韩志杰.铁和镧共掺杂二氧化钛的光催化活性j.应用化工,2008.37(8):931-917.3 姜萍华,高莉莉,陈东辉等. 沸石负载n,fe3+共掺杂tio2催化剂制备及表征j.环境污染与防治2008,30(12) : 55-59.4 孙晓君等 ,二氧化钛半导体光催化技术研究进展. 哈尔滨工业大学学报,2001,33(4):534 -5415 施利毅等. ticl4-o2体系高温反应制备超细 tio2光催化材料的研究. 无机材料学报,1999, 14 (5): 717-7256 沈伟韧等. tio2 光催化反应及其在废水处理中的应用.化学进展,1998,10(4):349 -3617 孙奉玉等. 二氧化钛的尺寸与光催化活性的关系. 催化学报 ,1998 , 1993 :229 -2338 李新勇等. 纳米半导体研究进展. 化学进展 ,1996 , 8 (3): 231-2399 崔高峰等.纳米二氧化钛的光催化现象及其在环保领域的应用.工业水处理,2000,20 (12):1-410 薛向东等. tio2 光降解水中污染物的研究进展.中国给水排水,2001 , 176 :26-2911 邓晓燕等. 纳米二氧化钛的热分析表征. 无机材料学报,2001,16 (6):1089 -109312 施利毅等. 二氧化钛超细粒子的制备及其光催化降解含酚溶液.华东理工大学学报,1998,24 (3):291-29613 陈志军,方少明.近代测试技术在高分子研究中的应用. 成都:成都科技大学出版社,199814