钒掺杂tio2光催化材料研究教学文稿

钒掺杂TiO2光催化材料研究1972年Fujishima和Honda首先报道了用二氧化钛作为光催化剂分解水制备氢气[1]。当时正值能源危机，利用太阳能制备氢气缓解能源危机有重大的实用意义，立即引起了学术界的广泛关注。1977年Bard用二氧化钛作为光催化剂氧化CN-为OCN-，开创了用光催化剂处理污水的先河[2,3]。半导体的光催化机理TiO2的优点WO3、TiO2、ZnS、ZnO、Fe2O3等（1）金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生阳极光腐蚀，且有毒;（2）铁的氧化物会发生阴极光腐蚀;（3）ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn(OH)2.光催化活性高，化学性质稳定，无毒；处理速度快，降解没有选择性，设备简单，操作方便，无二次污染，处理效果好等特点；廉价，原料来源丰富。光催化技术应用领域污染治理

废水处理和空气净化抗菌

光催化杀菌自清洁自清洁和防雾制备氢气提供无污染、高效的、无害的清洁能源

TiO2光催化剂存在的不足禁带宽度较大，Eg=3.2eV，主要对紫外光（波长小于387nm)有响应。光生电子—空穴对寿命短、光催化效率低。紫外光占的太阳光不足5％普遍的改性方法计算模型结构优化电子结构能带结构电子结构态密度电子结构论文课题的提出依据图1掺钒TiO2的总态密度(DOS)图2掺钒TiO2的动量投影态密度图(PDOS)

金属的原子半径钒和钛的原子半径和离子半径相近，Ti4+为68Å，V4+为60Å。这样有利于钒离子掺入到TiO2晶格中，形成置换式固溶体。目前利用钒改性的研究情况2008，在CatalysisCommunications期刊上，最新报导的De-EnGu等的研究结果：掺杂钒离子后TiO2的光谱吸收阈值波长红移到426nm左右；2006，管晶等通过溶胶凝胶法制备的掺钒/TiO2粉体，在30W荧光灯下照射3h后对甲基橙的降解率最高达到77%。粉体和薄膜的制备1方法:溶胶-凝胶法(sol-gel)2、工艺过程：Ti(OC4H9)4水+水解抑制剂硝酸+NH4VO3++锐钛矿型掺钒/TiO2溶胶干凝胶溶胶膜60℃烘干旋转镀膜掺钒/

TiO2粉体掺钒/

TiO2薄膜煅烧、研磨煅烧正交试验法因素水平表：因素1水平2水平3水平4水平煅烧温度（℃）pH值制备温度（℃）反应液浓度（ml）3001.55060400260804502.5701005003.080120结果：1）按设计结果进行了16组实验，均用水相法；2）钒的摩尔份数均为2.44%;3）光催化降解实验取了六次样品，共光照5小时,最大降解率为88.2%；4）以下降解率均取日光灯（波长范围为400～640nm）光照2小时结果。实验设计及结果组煅烧温度（℃）pH值制备温度（℃）反应液浓度（ml）降解率（%）13001.5506048.823002608088.233002.5701008243003801208.254001.56012086.76400270608.074002.5808027.484003501008.694501.5701009.51045028012012.6114502.5506010.412450360808.0135001.580803.0145002501008.6155002.56012012.716500370609.0Ⅰ227.2%148%76.4%76.2%Ⅱ130.7%117.4%195.6%126.6%Ⅲ40.5%132.5%108.5%108.7%Ⅳ33.3%33.8%51.2%120.2%R193.9%114.2%144.4%50.4%分析1）各因素对降解率的影响煅烧温度；制备温度、pH值；反应液浓度2）各因素取什么水平好呢？即煅烧温度为300℃，pH值为1.5，制备温度为60℃，反应液浓度为80ml。3）什么是较好的生产条件？即煅烧温度为300℃，pH值为1.5，制备温度为60℃，反应液浓度为80ml。DSC-TGA分析

图1纯TiO2粉体的DSC-TGA曲线图2掺钒TiO2粉体的DSC-TGA曲线

XRD分析

图1图2XRD分析图1图2不同掺钒量对晶面间距的影响依据理论原子之间作用力越强，晶面上原子排布越密集，晶格发生畸变，因而晶面间距增大。

XPS分析464.81eV峰为Ti2p1/2峰，458.99峰为Ti2p3/2峰，与纯TiO2中Ti2p1/2

（结合能为464.2eV）与Ti2p3/2（结合能为458.5eV），结合能有一定的增加；V5+离子与Ti4+离子相比具有更大的氧化价态原子氧化态的增加引起价电子密度的变化，改变了对内层电子的屏蔽效应，导致内层电子结合能的增加。O1s高分辨的谱峰

sampleBingdingEnergy(eV)O/OT*

TiO2V/TiO2

羟基氧桥氧Ti-O中氧羟基氧桥氧Ti-O中氧532.75531.06529.63533.02531.62530.359.5715.9174.5116.5516.1167.34

V5+的强吸引作用，电子云有偏向掺杂金属离子的倾向，导致氧离子的电子云密度减小，结合能增大；桥氧和羟基的含量增加，有利于提高亲水性和光催化性。

FT-IR分析

1384cm-1左右处出现一个新的吸收峰，可能是亚甲基-CH2键形成的峰；Ti-O的伸缩振动峰，向高波数方向移动；诱导效应：由于吸电子基团的取代，会使被取代基团周围电子云密度降低，导致吸收峰向高频方向移动Raman分析860cm-1处出现一个新的吸收峰，V-O-V的峰位一般在900-940cm-1的位置；根据化学键键强越弱，化学键的振动频率越小，吸收峰将出现在低波数区。

所以，出现在860cm-1位置的新峰可能为V-O-Ti键形成的峰。

UV-Vis分析有效带隙减小；V5+比Ti4+具有更高的正电荷和更小的半径，V对O有较强的极化效应。

PL分析

掺杂后发射光谱的强度减弱并随着钒掺杂量的增加荧光光谱强度呈递减趋势；归因于钒离子的掺入有利于光生电子和空穴的分离，降低了它们的复合率。

制备温度对光催化性能的影响反应液浓度对光催化性能的影响

pH值对光催化性能的影响

煅烧温度对光催化性能的影响V掺杂量对光催化性能的影响钒的掺杂提高了粉体对可见光的吸收；掺钒TiO2粉体表面羟基浓度增大。钒离子较多时，可能成为光生电子和空穴的复合中心；不同层数薄膜的亲水性样品号接触角（光照前）接触角（光照后）空白玻璃1#2#3#4#5#3937.526.52930.5264127916.52719.5图为2#光照前（后）接触角图片不同掺钒量薄膜的亲水性样品号接触角（光照前）接触角（光照后）空白玻璃A1A2A3A4393226.533354133936.534.5图为A2光照前（后）接触角图片A1为6.25%、A2为2.44%、A3为1.79%、A4为0.99%加入不同量SiO2的薄膜样品号接触角（光照前）接触角（光照后）空白玻璃B1B2B3B43933.5402931412931.5平铺28.5图为B3光照前（后）接触角图片Ti：V=40：1B1为40：1、B2为5：1、B3为1：1、B4为1：2样品号接触角（光照前）接触角（光照后）空白玻璃C1C2C3C43941.529.53634.5413241628.5

图为C2光照前（后）接触角图片Ti：Si=1：1C1为6.25%、C2为2.44%、C3为1.79%、

C4为0.99%机理分析钒的摩尔份数为2.44%掺钒TiO2薄膜最佳亲水效果最佳光催化效果掺钒TiO2粉体机理相似光致亲水是因光催化除去表面污染物创新点

制备得到能被可见光激发的掺钒TiO2光催化粉体及掺