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精品精品 纳米材料论文纳米材料论文 掺Fe3 S纳米TiO2催化剂的制备与表征班级材化0702班姓名赵焕超 学号0712103753摘要本文采用溶胶 凝胶法制备了Fe为原料 加入一定量的乙醇配成相应的AB溶液 将A B溶液充分混合搅匀 通过溶液中化合物的加水分解 聚合 进一步 反应发生凝胶化 再把凝胶加热 制成掺FeUv vis 扫描电镜SEM对其进行表征 结果表明在样品中掺杂一定比例的FeTiO2结构没有发生改变 但使 光响应范围扩展到可见光区 有效的提高了纳米的光催化活性 关键词溶胶凝胶 Fe3 S掺杂 光催化 TiO2催化剂 扫描电镜 表 征3 S复合掺杂的TiO2薄膜 以钛酸四丁酯3 S纳米TiO2光催化材料 并利用WIN Sp5型紫外可见分光光度计 3 S 前言光催化氧化技术是一种新兴 的污染治理技术 它的研究已涉及到饮用水的深度处理 高浓度难 降解有机废水处理 气相污染物净化等许多领域 自从发现半导体光 催化技术可以用来氧化分解污染物以来 半导体光催化理论与技术 就得到国内外高度而广泛的重视 目前已经证实 半导体光催化可以用来进行有机废水的降解 重金 属离子的还原 空气净化 杀菌 防雾等 随着研究的深入 人们还会不断发现半导体光催化的新功能和用途 稳定 廉价 高性能的半导体催化剂是光催化技术的基础 在众多 的半导体光催化剂中 锐钛型二氧化钛以其优异的性能成为半导体 光催化剂的代表 但是由于锐钛型二氧化钛具有比较宽的带隙 3 23eV 吸收光谱 较窄 光生载流子容易发生复合 从而降低了二氧化钛的光催化性 能 提高二氧化钛半导体的光催化性能的方法有多种 如半导体复合 贵金属沉积 半导体表面光敏化以及离子掺杂等方法 其中离子掺 杂是提高半导体性能的一种有效方法 不仅能够显著提高半导体的 导电性 有效减少载流子的复合 还能够使吸收光谱蓝移或红移 从而改善半导体光催化剂的性能 然而 由于TiO2禁带较宽 只能被 高能的紫外光激发 因此 为了使的光响应区向可见光方向扩展 提高光催化效率 近年来 国内外许多学者已在这方面做了大量的研究工作 以过渡 金属离子掺杂如Fe等非金属物质来提高其光催化效率的研究较为广 泛 大量研究结果表明 Fe的掺杂能够有效的提高TiO2光催化活性和对 可见光的利用率 本文以提高催化活性为目的 采用溶胶 凝胶法制备了掺杂Fe样品的结构和光催化性能进行了研究 3 Cr6 等 在配以适当比例的S3 S3 S纳米TiO2光催化材料 并 对 1 实验部分1 1试剂与仪器钛酸丁酯 Ti C4H90 4 无水乙醇 C2H5 OH 乙酸 CH3COOH 硝酸镧 La NO3 2 去离子水 三乙醇胺 S EM扫描电镜 WIN Sp5型紫外 可见分光光度计 Uv vis 电阻炉 烘箱 玻璃薄片等 1 2实验原理及方法溶胶 凝胶法是从金属的有机或无机化合物的溶 液出发 在溶液中通过化合物的加水分解 聚合 把溶液制成溶有 金属氧化物微粒子的溶胶液 进一步反应发生凝胶化 再把凝胶加 热 可制成非晶体玻璃 多晶体陶瓷 1 3样品的制备1 3 1掺铁 硫氧化钛纳米材料的制备1 1 1配液a配A 液1 7ml H2O 100ml乙醇 2g硫脲 2g氯化铁 搅拌10min 调节PH3 4 b配B液17 3ml酞酸丁酯 50ml乙醇 1滴三乙醇胺 搅拌十分钟 1 1 2将A液滴入B液 搅拌中 水温40 搅拌40min 1 1 3调整pH值约为3 1 1 4在剧烈搅拌下向溶液中滴加去离子水 1 2滴 次 直至溶液 呈油状时为止 停止搅拌 取一清洗后的玻璃载片 用浸渍 提拉 法制取薄膜 室温下干燥和500 下煅烧1h 镀膜次数为3 6次 1 2氧化钛纳米材料的热处理1 2 1将凝胶研磨 得到的粉体同薄膜 一起在烘箱中于80 烘干1h 1 2 2将烘干的凝胶仔细研磨 放入坩埚中 连同薄膜一起放入电阻 炉中煅烧 煅烧温度为500 保温时间1h 1 2 3随炉冷却 取出 将粉末研磨 玻璃薄膜取出待测 1 2 4将凝胶研磨 得到的粉体同薄膜一起在烘箱中于80 烘干2h 在电阻炉中500 煅烧1h 1 3氧化钛纳米复合材料的UV Vis表征1 3 1启动仪器 打开界面 1 3 2快速联机 预热20分钟 1 3 3选择光谱扫描模式 光谱扫描起点为200nm 终点为1000nm 1 3 4测试模式选择T 透过率 1 3 5校准能量1 3 6扫描基线 扫描基线 按钮或 光谱扫描 扫描基线 1 3 7扫描样品 扫描样品 按钮或 光谱扫描 扫描样品 1 3 8保存和打印扫描报告 1 4氧化钛纳米复合材料的视频显微形貌分析1 4 1打开显微镜视频 金相图像分析仪 联机 1 4 2将待测样品放在样品台上 1 4 3调节镜头放大倍数为10 再调节支架上焦距调节旋钮 进行 样品在10 下的对焦 1 4 4移动平台 选择视场 调焦 对样品微观形貌进行观察分析 1 4 5分析 存盘及打印测试结果 1 4 6关机 1 5氧化钛纳米复合材料的光催化活性研究将准确称取的0 5g催化剂 样品放入盛有100mL浓度为10mg L的亚甲基蓝水溶液烧杯中 在黑 暗条件下进行磁力搅拌1h 使吸附达到平衡后再进行光降解反应 以125W自镇流荧光高压汞灯作为紫外光源进行光催化反应 光源悬 挂于溶液正上方10cm处照射 在灯启动正常后开始计时 每隔20min 取样一次 用WIN Sp5型紫外可见分光光度计测试其吸光度 测定波长530nm 溶液的浓度和吸光度A成正比 其降解率可以表示为 A0 At A0 100 A0为溶液的初始吸光度 At为溶液光照一定时间后 的吸光度 2 实验结果与分析图1是部分样品的不同层数紫外可见吸收光谱 由图可见 可见吸收光谱是由价电子能级跃迁而产生的 每种物质 都有其特征吸收谱线 薄膜随膜层数的增加透过率降低 从图中可以看出在波长小于400nm 的短波段 紫外区 看出薄膜对紫外光线在350nm处出现弱吸收 紫外可见吸收边位置随薄膜层数的增加而向短波方向移动 最大吸 收波长处薄膜的吸收强度也随着减弱 图1掺铁 硫脲不同层次二氧化钛薄膜紫外可见光吸收光谱 注图像 不太准确 可能是薄膜太厚 或者是涂膜不均匀造成的 结果表明 500 煅烧的硫掺杂TiO2在紫外光区和可见光区的吸光度比纯TiO2 提高了约0 23 0 46 掺铁的光响应范围向可见光区域的扩展很 大 增大了可见光的吸收 并出现明显的红移现象 产生该现象原 因主要有两个因素 一个是Fe3 的3d激发到的导带而产生的 另外一 个源于Fe3 d d电子的转移 或者是铁离子之间的电荷转移 Fe对可见光的吸收 有利于电荷载流子的产生 进而提高光催化活性 3 Fe3 Fe2 Fe4 这说明掺杂有利于催化剂 3 思考题3 1 纳米光催化剂的煅烧温度如何确定 答当焙烧温度为超过一定温 度时 由于催化剂的粒径增大 比表面积减少 故导致催化活性降 低 从催化剂从400 到600 催化剂的催化性能在下降 这是因为400 焙烧的产物为锐钛矿型TiO2 其催化效率是最高的 500 后会有 部分锐钛矿向金红石型转变 催化活性会随之下降 600 后会有大 量的锐钛矿型TiO2转化为金红石型TiO2 催化活性又会进一步下降 200 500活性的改变 光催化反应中 光生空穴主要在Ti0由基 OH 表面羟基数量的多少 决定了光生空穴俘获程度的难易及活性物种OH 生成数量 500结构 在晶相组成及粒径未交情况下 表现出最高光催化活性 热处理温度高于5503 2 光催化影响因素有哪些 提高光催化活性 的途径有哪些 答影响因素3 3 1Ti OH 钛羟基 过多的钛羟基存在会降低Ti02的光催化活性 对于降解有机物的反应属于光氧化反应 起主导作用的是光生空穴 钛羟基能捕获光生空穴 从而降低了有机物的光降解率 3 3 2Ti02薄膜尺寸当Ti02薄膜厚度达到纳米级后 纳米半导体的量 子尺寸效应表现明显 超细微粒的量子尺寸效应会导致其吸收光谱 的吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活性的提高 3 3 3Ti02晶型锐钛矿型Ti02具有光催化特性 少量的金红石晶型和 锐钛矿相形成混晶有利于提高光催化特性 在实验中选取合适的热处理温度 以使得Ti02薄膜的光催化性能达 到最好 3 3 4金属 离子 掺杂杂质金属离子掺入Ti02后 改变了Ti02的能带 结构 杂质离子能级不仅可以接受Ti02价带上的激发电子 也可以吸收光 子使电子跃迁到Ti02的导带上 由于掺杂能级处于禁带之中 使长波长光子也能被吸收 从而扩展 了Ti02吸收光谱的范围 同时 Ti02导带上的光生电子和价带上的光生空穴也能被杂质能级 俘获 使电子和空穴分离 从而降低了电子空穴的复合几率 延长 了载流子的寿命 使单位时间单位体积的光生电子和空穴的数量增 多 Ti02光催化效率就提高了 途径贵金属淀积 复合半导体 金属离子掺杂 非金属掺杂 离子 注入 表面光敏化 表面修饰 表面强酸化 外加氧化剂 场耦合 光催化技术 3 3在溶胶制备过程中 加入适量的三乙醇胺或乙酰丙酮的作用是什 么 答加入适量乙酰丙酮为稳定剂 它有一种活泼的烯醇基 极易 与醇盐发生0C条件处理下 Ti02粒径 晶型未变 表面状态的变化 导致催化剂2表面羟基处俘获生成羟基自0C条件下热处理Ti02由于H2 O的脱附而生成适宜的表面羟基0C 玻璃基底因达到熔点发生弯曲 故未进行更高温度实验 反应形成螯合物 原本邻接羰基的碳原子上的氢转移到与羰基的氧 原子结合 这种重排氢具有很高的活性 极易被其他的原子替代 因此 乙酰丙酮的烯醇基比水中的羟基更易与钛酸四丁酯反应 当它与钛酸四丁酯发生螯合反应时 会阻止多羟基钛的直接生成 使得钛酸四丁酯中的烷氧基被水中的羟基取代的水解反应变慢 同样道理 乙酰丙酮也会与掺杂的Fe酯来说Fe3 4溶胶 凝胶法制备氧化钛纳米薄膜及纳米粉体的影响因素有哪些 说出 至少四个主要因素 如何控制 3 1 1反应物浓度反应物浓度与配比 要严格遵循实验要求 浓度过大 则体系水解速度相对变快容易使 生成的粒子不均匀 较小则会在一定程度上抑制水解反应的进行 增加反应时间 还会 促进无定型氧化钛的形成 3 1 2反应温度温度要控制在403 1 3环境pH值ph值太高或太低都较 难控制体系ph值的稳定 从而使生成粒子容易聚结 甚至无法生成T i02前体 所以反应环境是ph值控制在3 4的弱酸溶液 3 形成螯合物 并且相对于钛酸四丁3 更易与乙酰丙酮形成螯合物 0C 若反应较慢 可适当提高温度 4结论本文采用溶胶 凝胶法制备了