微波輔助N、S共摻雜納米TiO2制備、表征及光催化性能研究.pdf

1、在全球性環(huán)境污染和能源危機(jī)日趨嚴(yán)重的今天，如何有效利用太陽(yáng)能來(lái)治理污染已引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。半導(dǎo)體氧化物多相光催化技術(shù)，因具有能廣泛地利用太陽(yáng)能，并且能耗低、反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)便、無(wú)二次污染、特別對(duì)生物難降解有機(jī)污染物具有很好的氧化降解作用等突出特點(diǎn)，已成為環(huán)境污染控制和治理方面的研究熱點(diǎn)。在眾多的半導(dǎo)體氧化物中，TiO2因其良好的光電特性，光照射下能夠被光子激活，在表面發(fā)生很強(qiáng)的氧化(或還原)作用，將絕大多數(shù)有機(jī)污染物降解并最終

2、完全礦化為CO2、H2O和其他一些無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)而消除對(duì)環(huán)境的污染，以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全無(wú)毒、來(lái)源豐富等特點(diǎn)，使之成為目前最為廣泛和成熟的半導(dǎo)體氧化物材料之一。然而，TiO2的禁帶寬度較大（銳鈦礦型TiO2的Eg≈3.2eV），光催化僅限于紫外光區(qū)，而太陽(yáng)光中紫外光(300nm~400nm)的含量只占3％~4%，太陽(yáng)能利用率低；并且量子產(chǎn)率同樣較低。因此，本文擬采取摻雜的方式制備高性能的TiO2催化材料，以提高其光催化效率。
　

3、　本文首先簡(jiǎn)要介紹了半導(dǎo)體光催化的基本原理，在總結(jié)和評(píng)述了提高半導(dǎo)體光催化總量子效率和太陽(yáng)能利用率的各種方法及其研究進(jìn)展和面臨的主要問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用廉價(jià)易得的無(wú)機(jī)鹽TiCl4為鈦源，硫脲為均相沉淀劑并提供硫元素，在微波輻照下合成了S摻雜的納米TiO2前驅(qū)體，然后在NH3/N2氣氛中經(jīng)程序升溫的煅燒處理得到N、S共摻雜納米TiO2光催化劑。以納米TiO2的平均晶粒度、晶相結(jié)構(gòu)和光催化活性為指標(biāo)，考察了TiCl4初始濃度、微波作用功率、微

4、波作用時(shí)間、微波作用溫度以及NH3/N2氣氛中氮化溫度等因素對(duì)制備的光催化劑性能的影響，得到N、S共摻雜納米TiO2制備的最佳工藝條件：初始c(Ti4+)為0.9 mol·L-1，微波作用功率900W，微波作用時(shí)間0.5h，微波作用溫度95℃，NH2/N2氣氛中高溫氮化溫度500℃。
　　采用XRD、UV-Vis/DRS、FT-IR、XPS、TG-DTA和TEM等現(xiàn)代分析測(cè)試手段對(duì)所制備的N、S共摻雜納米 TiO2結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表

5、征。結(jié)果表明，所制備的N、S共摻雜可見(jiàn)光響應(yīng)納米TiO2光催化劑為銳鈦礦型和金紅石型的混晶，晶?；境是蛐位蝾惽蛐?，平均晶粒度在15~20nm之間；N元素以兩種摻雜態(tài)存在：一種是以N3-替位取代O2-進(jìn)入TiO2晶格形成Ti-N-Ti聯(lián)接的摻雜態(tài)，另一種是通過(guò)化學(xué)吸附NH3或NH4+進(jìn)入晶格原子間隙產(chǎn)生的摻雜態(tài)；S元素?fù)诫s以S6+取代Ti4+進(jìn)入TiO2晶格，使晶格局部畸變，導(dǎo)致TiO2的帶隙變窄；而N、S共摻雜納米TiO2具有可見(jiàn)光催

6、化活性是因?yàn)镹、S元素的摻雜在禁帶形成了新的雜質(zhì)能級(jí)，使光催化劑的吸收邊帶紅移至500~550nm處。
　　摻雜N、S元素的納米 TiO2具有較強(qiáng)的光催化活性，光催化劑對(duì)甲基橙的可見(jiàn)光催化降解滿足準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且N、S元素的共摻雜對(duì)光催化劑的可見(jiàn)光催化活性具有協(xié)同作用。
　　同時(shí)，離子液體的添加對(duì)光催化劑的晶相組成有很大影響，并且有助于N、S元素的摻雜；添加陰離子為[BF4]-的離子液體可以引起F-吸附在TiO2表面的F