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稀土复合掺杂纳米TiO2薄膜光催化活性研究一立项依据（研究目的、意义,国内外研究现状及发展动态）研究目的和意义：纳米TiO2作为一种重要的无机功能材料,因其具有良好的耐候性、耐腐蚀性，高的降解活性，并具有良好的化学稳定性、廉价无毒等优点，被广泛应用于污水处理、空气净化等领域，成为环境、化学、材料科学等领域的研究热点。它对于降低运行费用，对于保护环境、维持生态平衡、实现可持续发展具有重大意义。作为一项很有前途的环境治理产品，有着相当广泛而又诱人的前景。但其禁带宽度大(3.2eV)，只能利用太阳光中的紫外线部分（仅占太阳光能3-4%）。这使TiO2作为光催化剂在实际应用中受到限制，因而大大降低了TiO2的利用率。本课题采用溶胶-凝胶法制备用稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2薄膜,并以亚甲基蓝溶液为目标降解物,研究掺杂纳米TiO2粉体在紫外光作用下的光吸收和光催化性能。掺杂可以实现TiO2对可见光的响应，并向可见光区域有效拓展；掺杂还可以作为光生电子或空穴的捕获中心，促使光生载流子的分离，降低载流子复合率。提高TiO2纳米粒子的降解效率，增加降解的持久力，从而能够更快更好的降解废弃物，使环境更美好。2、国内外研究现状及发展动态：纳米TiO2在催化及环境保护等方面具有广阔的应用前景，并可用于日用产品、涂料、电子、电力等工业部门，因此，纳米TiO2展现出巨大的市场前景。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。在国内普遍开展了纳米TiO2的制备和应用技术开发，并取得了阶段性成果，进行纳米粉体制备技术研究的科研院所和高校大多进行过纳米TiO2的研究。重庆大学应用化学系是国内最早研究纳米TiO2的单位，华东理工大学、中国科学院上海硅酸盐研究所是目前研究技术较全面、报道最多的单位。国内有关稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2的论文和文献较少，有很大的空白需要填补。项目研究内容、研究目标,以及拟解决的关键技术问题项目研究内容本课题采用溶胶-凝胶法制备纯TiO2纳米粒子以及稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2薄膜。2、反应过程中焙烧温度和稀土元素掺杂量等因素对材料组成、结构将会产生影响，通过各个影响因素实验，确定出最佳制备条件。3、用制备的稀土复合掺杂的TiO2，降解甲基橙、亚甲基蓝等性能进行研究，研究不同配比的稀土对降解性能的影响，确定最佳配比，并应用到实际中去。4、通过对制备的掺杂稀土元素的TiO2的纳米粒子以及纯的TiO2纳米粒子进行粒度分析仪测试，X射线衍射分析仪测试，热重分析和扫描电镜等测试，对试样进行表征。研究目标制得复合掺杂稀土元素的TiO2纳米粒子；不同的实验条件对稀土元素在纳米TiO2中分布的影响；稀土的不同的配比对纳米TiO2降解甲基橙、苯酚等性能的影响及降解剂的用量对降解能力的影响；得到有很好光降解性能纳米TiO2纳米材料，并了解其催化性能，使其能很好地催化有机分子的降解，从而高效地降解污染物。拟解决的关键技术问题1、降解反应机理尚不十分明确，缺乏可靠的验证手段。以半导体能带理论为基础的光催化理论难以解释丰富多彩的实验现象，需要进一步完善和应用基础理论知识。2、光谱响应范围窄，太阳能利用率低。需继续研制和开发具有高量子产率、能被太阳光谱中的可见光甚至红外光激发的新型的高效半导体光催化材料。3、增加降解剂TiO2的重复利用能力。目前，在实现光催化技术向工业化应用过渡的过程中，降解剂重复利用的问题很重要，如果可以实现多次运用，这将会促进实际应用并产生实际的经济效益。4、稀土元素掺杂理论仍不完善，需要大量的实验。研究方案、技术路线研究方案本课题拟采用溶胶-凝胶法制备纯TiO2纳米粒子以及稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2薄膜。主要内容如下：3.1本课题采用溶胶-凝胶法制备纯TiO2纳米粒子以及稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2薄膜。3.2反应过程中焙烧温度和掺杂量等因素对材料组成、结构将会产生影响，通过这各个影响因素实验，确定出最佳反应条件。3.3通过对制备的纯TiO2纳米粒子以及稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂的纳米TiO2粒子进行粒度分析仪测试，X射线衍射分析仪测试，热重分析和扫描电镜测试，对试样进行表征。3.4对制备的复合掺杂TiO2光催化剂对亚甲基蓝、苯酚等催化降解性能进行研究讨论。技术路线课题主要原理及方案设想：sol-gel法是指金属有机或无机化合物经过溶液，溶胶，凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其它固体化合物的方法。以Ti(OBu)4为原料制备TiO2纳米粒子时，在H+催化作用下发生水解反应,如下所示：(1)(2)(3)(4)上述(1)，(2)反应为Ti(OBu)4的水解反应，在常温下即可快速进行，(3)为生成醇的缩聚反应，(4)为生成水的缩聚反应。水解与缩聚反应进行的程度主要取决于的H2O/Ti(OBu)4摩尔比及溶液的PH值，摩尔比越高，水解反应越完全，否则将得到有机钛氧缩聚产物，但同时含水量越高，形成凝胶过程越快，这对制备膜不利。以这种方法制备纳米粒子，溶液的PH值，热处理温度都有影响。掺杂、制膜方案：将10mL的钛酸丁酯与20mL的无水乙醇混合均匀,制成溶液a,置于分液漏斗中待用;取10mL无水乙醇、5mL冰醋酸、1mLPEG和1.6mL去离子水置于锥形瓶中充分摇匀,并将适量的硝酸铒、硝酸亚铈、硝酸镧和硝酸铁晶体加入其中,待其完全溶解后转移至磁力搅拌器上,搅拌30min得溶液b。边搅拌边将溶液a逐滴加入到b溶液中,滴加完毕后继续搅拌2h形成均匀透明的掺杂TiO2溶胶,室温下放置陈化2d,用于制备TiO2薄膜。采用浸渍-提拉法在上述溶胶中制得湿膜,湿膜在100℃干燥15min,冷却至室温后依次提拉可制得多层的TiO2薄膜,放入程序控温炉以3℃/min热处理至550℃(2h),完成晶型转化制得平滑均匀TiO2薄膜。项目特色与创新之处国内有关稀土元素Er3+-Ce3+、La3+-Fe3+复合掺杂纳米TiO2文献和报道较少，本项目可填补一定的空白。掺杂一种或几种稀土元素生产出催化性能更优异的纳米TiO2催化剂。纳米TiO2无毒、无害，无二次污染，可谓绿色催化剂。掺杂稀土元素有望提高催化剂的使用寿命。现有的TiO2利用紫外光（光的利用率为3-4%），掺杂稀土元素之后可利用可见光，且光的利用率更高。年度计划2014年6月-2015年1月：查阅有关资料，为实验做好充分准备。购买实验药品，准备实验所需的仪器设备。制备纯纳米二氧化钛。2015年3月-2015年7月：制备稀土元素复合掺杂的纳米TiO2，反应过程中焙烧温度和掺杂量等因素对材料组成、结构将会产生影响，通过各个影响因素实验，确定出最佳反应条件。2015年9月-2015年12月：通过对制备的稀土复合掺杂的TiO2的纳米粒子以及纯的TiO2纳米粒子进行粒度分析仪测试，X射线衍射分析仪测试，热重分析和扫描电镜测试，对试样进行表征