11材料罗嘉琪20111104440

1、内蒙古师范大学2012 -2013 学年论文论文题目:掺杂金属对二氧化钛光催化性能的影响院 系 化学与环境科学学院 专 业 材料化学 授 课 语 种 汉语 学 生 姓 名 罗嘉琪 学 号 20111104440 指导教师姓名 德格吉呼 2013 年 8月 29 日学 年 小 论 文 目 录摘要1关键词11.纳米二氧化钛及其性质12.光催化特性13.金属掺杂纳米二氧化钛的光催化机理24.金属掺杂纳米二氧化钛的制备方法24.1沉淀法24.2溶胶-凝胶法24.3水热法24.4微乳液法24.5浸渍法25.纳米TiO2的应用现状及前景35.1含油废水35.2印染废水35.3造纸废水35.4农药废水3参考

2、文献：4掺杂金属对二氧化钛光催化性能的影响内蒙古师范大学化学与环境科学学院11级材料化学班 罗嘉琪 20111104440指导老师：德格吉呼 职称：副教授摘要：环境污染是当前人类面临的一个严重问题，其所带来的危害越来越严重，其中水污染最为严重。光催化氧化技术相对于传统的生物、化学、物理等水处理工艺来说具有较大的优势，其氧化性强、能量消耗低、无二次污染，是一种发展前景极好的水处理方法。纳米二氧化钛因具有稳定的化学性质，成本低，无毒，难溶和较高的催化效率等特点而成为一种较为理想的光催化剂。由于其禁带较宽，光量子效率低，在实际应用方面受到一定的限制，通过金属离子掺杂一方面可以改变二氧化钛的禁带宽度；

3、另一方面金属离子掺入可以在二氧化钛中引入缺陷或者改变其结晶度，从而抑制光生电子-空穴对的复合，延长载流子的寿命。因此通过金属掺杂可以显著提高二氧化钛的光催化性能。关键词：纳米，共掺杂，光催化，动力学1.纳米二氧化钛及其性质二氧化钛俗称钛白粉，为白色固体或粉末状的两性氧化物，溶于氟酸和热浓硫酸，不溶于水、盐酸、硝酸和稀硫酸。纳米二氧化钛还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，二氧化钛是宽禁带半导体，有板钛矿、锐钛矿和金红石三种形态，后两种为常见形态，禁带宽度为3.2eV。纳米微粒具有较大的比表面积，表面能、表面原子数和表面张力随纳米粒子的粒径的减小而急剧增加，从而具有表面效

4、应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，纳米二氧化钛中连续的电子能级发生分离，禁带宽度变大，吸收发生蓝移【1】。2.光催化特性纳米材料的粒径介于微观物质和宏观物质之间，从而使其具有与微观物质和宏观物质不同的化学与物理性能，其中最具特点且优异的性能便是光催化氧化性能。纳米半导体材料在光的照射下可以产生电子跃迁使光能转换成电能，再通过一系列反应最终转换为化学能，在这一系列的能量转化过程中，半导体上所吸附的有机物便被分解成 水、二氧化钛等无毒无害的小分子。而纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应对其光催化性能都起到了提高和促进的作用：表面效应增强了对有机物的吸附能力，量子效应使电

5、子-空穴的氧化还原能力显著增加，小尺寸效应缩短了载流子迁移的时间，提高了电子-空穴的分离效率，降低其复合率。同其它纳米半导体材料相比，纳米二氧化钛半导体光催化材料具有较高的氧化电位、高的化学稳定性、无毒性、热稳定性、非迁移性、超亲水性等特点，使其成为纳米半导体光催化材料中的杰出代表。3.金属掺杂纳米二氧化钛的光催化机理纳米二氧化钛的光催化性能与其能带结构密不可分，半导体的能带是不连续的，通常是由未填充电子的导带和充满电子的价带构成，导带与价带之间的区域称为禁带。当照射的光子的能量大于半导体的禁带宽度时，电子便被激发从价带跃迁到导带，从而在导带与价带之间形成电子-空穴对，该电子-空穴对具有很高的

6、活性，从而在半导体中形成较强的氧化-还原体系。半导体的禁带宽度 Eg与光吸收阈值 g的关系如下【2】：g=1240/Eg(eV) (1-1)锐钛矿型二氧化钛禁带宽度为 3.2eV，由式（1-1）可知，二氧化钛的光吸收阈值为387.5nm，当其受到小于这一波长的紫外光照射时，电子便会从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对，电子和空穴在电场作用下发生分离并迁移至二氧化钛粒子表面，与二氧化钛粒子表面上吸附的物质发生氧化还原反应。二氧化钛粒子表面上的非均相光催化反应历程较复杂，基本步骤包括光激发产生载流子以及电子-空穴，载流子的俘获，光生电子-空穴对的分离和复合，表面电荷转移等【3】，每一步都有其独特的动

7、力学特征。4.金属掺杂纳米二氧化钛的制备方法4.1沉淀法化学沉淀法是制备金属掺杂纳米 TiO2的一种简便方法，这种方法是将含有 Ti4+和掺杂离子无机盐溶液中加入沉淀剂，通过控制沉淀反应的微环境能够得到较均匀的沉淀物，将沉淀物过滤、洗涤、干燥后在一定条件下煅烧便可得到金属掺杂纳米 TiO2粉体。4.2溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法一般是将钛醇盐经过水解缩聚形成溶胶，经陈化转变为凝胶，再经干燥和煅烧便得纳米 TiO2粉体，在钛醇盐水解时加入掺杂金属盐便可制得金属掺杂纳米TiO2。4.3水热法水热法以水为反应介质，在高压釜中加入 TiCl4和掺杂金属的无机盐，在高温高压环境中进行反应制备出产物，再经过滤

8、、洗涤和干燥等便可得到金属掺杂纳米 TiO2粉体。4.4微乳液法微乳液法是利用表面活性剂的作用使互不相溶的两种溶剂形成均匀的乳液，固相从乳液中析出，形成沉淀，通过离心或在反应完成后的微乳液中加入丙酮破坏微乳液等方法，将纳米微粒从微乳液中分离出来，分离出的纳米微粒经有机溶剂清洗，再在一定条件下干燥，便得纳米微粒的固体样品。4.5浸渍法浸渍法是将制备好的纳米二氧化钛浸渍在所掺杂的金属的盐溶液中，利用超声或者加入酸液或碱液，再经蒸发、干燥和煅烧便得金属掺杂纳米二氧化钛催化剂。5.纳米TiO2的应用现状及前景纳米 TiO2既可以对废水中的有机污染物进行光催化降解，还可以降解无机化合物，TiO2光催化剂

9、在以下几个领域得到广泛的应用。5.1含油废水石油工业对水体和环境造成了严重污染，这类不溶于水且比水轻的油类污染物的处理问题一直被人们所关注，近年来，利用 TiO2的悬浮体系光催化降解含油废水的研究引起各国学者的关注。人们分别用黏附、偶联、浸涂等方法将 TiO2承载在空心硅铝微球、煤炭中漂球、空心玻璃微球、空心陶瓷微球、木屑等轻质载体上，制备了能飘浮于水面上的 TiO2光催化剂来处理含油废水或降解海面石油污染物杨阳【4】、陈士夫【5】分别用膨胀珍珠岩和空心玻璃微球为载体制备了负载型 TiO2光催化剂，并对癸烷和正十二烷进行催化降解取得良好效果。5.2印染废水染料废水因成分复杂、排放量大、浓度高、

10、色度深、毒性大、难生化降解等而成为较难处理的工业废水。近年来发展起来的 TiO2光催化技术为这一问题的解决带来了福音。张辉【6】、蔡邦宏【7】分别用 TiO2光催化剂对活性艳红 X-3B 和 SF blue 制衣染料废水进行了催化降解研究，石建稳【8】用氮掺杂TiO2光催化剂对甲基橙进行了催化降解研究，在各自的研究条件下均能达到有效降解的目的。5.3造纸废水造纸废水中含有大量原料溶出物、木质素、纤维素、絮凝剂等，对水体污染特别严重，另外造纸漂白废水中含有极易致癌的二恶英，而这类物质很难通过传统手段降解消除。利用光催化氧化可以将这些有毒有害的有机物降解为 CO2、H2O 等无毒无害的小分子。夏璐

11、【9】、韩沛【10】、Pedroza.A.M【11】等分别用 TiO2光催化剂对造纸废水进行了降解研究，结果显示在各自的研究条件下均能使废水达到国家排放标准的要求。5.4农药废水农药种类繁多，成分复杂，且具有较强的毒害性，传统处理方法无法达到国家排放标准。近几年的研究表明，光催化可以彻底降解农药并且不会产生毒性更强的中间产物，具有其他方法无法比拟的优越性。陈建秋【12】以乐果为目标降解物进行了研究，在实验条件下 160min 时的降解率达到了 99%；董俊明【13】用 TiO2/GeO2对甲胺磷废水进行催化降解研究，在对条件进行优化后降解率达 96.2%以上，COD 降解率为 85%，达到国家

12、废水排放标准；汪东【14】对毒死蜱、苯线磷、克百威、多菌灵等进行了降解研究，取得良好效果。本文在写作过程中得到了德格吉呼老师多次精心指导，在此表示感谢。 参考文献：1 Anders Hagfeldtt ,Micheal Grtzel Light-Induced Redox Reactions in NanocrystallineSystemsJChemical Review，1995，95：49-682 M. GrtzelHeterogeneous photochemical electron transfer MBaton Rouge：CRC Press，19883 Micha Tomkie

13、wiczScaling Properties in PhotocatalysisJCatalysis Today，2000，58(2-3)：151-1594 杨阳，陈爱平，古宏晨，等以膨胀珍珠岩为载体的漂浮型 TiO25 陈士夫，程雪丽空心玻璃微球附载 TiO26 张辉，张国亮，林志宏，等TiO2光催化/膜分离耦合过程降解偶氮染料废水J催化学报，2009，30(7)：679-6847 蔡邦宏TiO2光催化处理高浓度 SF blue 染料废水研究J化学试剂，2009，31(8)：640-6428 石建稳，陈少华，王淑梅，等多种光源下氮掺杂 TiO2光催化降解染料废水的研究J工业水处理，2010，

14、30(9)：50-539 夏璐，王双飞，龚铸光催化降解制浆漂白废水试验条件的优化J环境科学与技术，2006，29(10)：81-8210 韩沛，龚文琪，杜金逢纳米 TiO2光催化氧化处理造纸废水的试验研究J武汉理工大学学报，2009，31(12)：8l-8311 Pedroza A M，Mosqueda R，Alonso V，et a1Sequential treatment via Trametes versicolor andUV/Ti02/RuxSey to reduce contaminants in waste water resulting from the bleaching process daringpaper