TiO2光催化剂.doc

中级物理化学实验报告指导老师:肖信掺氮 TiO2 光催化剂的制备、结构表征与光催化性能研究姓名:罗志勇学号:20042401143 同组成员: 潘曼、徐志锴实验时间: 4月18日 1 、引言由于在太阳能转换和环境净化方面具有巨大的应用价值,光催化反应近年来受到广泛的关注。 TiO 2由于具有强氧化能力、化学性能稳定和价格低廉等优点,所以被认为是最具有实用化前景的光催化剂。但是,作为一种 n型半导体,其较大的带隙能(金红石型 ,锐钛矿型 ) 使得只有 387nm 以下的紫外光才能有效激发其价带电子跃迁到导带,所以对太阳能的利用率仅仅为 3%-5%,这制约了该项技术在实际工程中的应用。为了扩展 Ti0 2的响应波长以利用太阳光,早期人们探索了以金属元素、金属氧化物掺杂或复合改性 TiO 2光催化剂, 并取得了有意义的进展;但是金属元素掺杂常常会具有热不稳定性、容易成为载流子复合中心等缺点。2001 年Asahi 等首次通过理论计算证明以非金属元素掺杂改性的可行性。掺杂使得 TiO 2具有可见光催化活性,需满足下列要求: (1) 掺杂应该在 Ti0 2带隙中形成能够吸收可见光的能级; (2) 导带最小能级,包括杂质能级,应高于 TiO 2导带最小能级或高于 H 2/H 2O电位以保证其光还原活性;(3) 形成的带隙能级应该与 TiO 2能级有足够的重叠,以保证光激发载流子在其寿命内传递到达催化剂表面的活性位置。合成掺氮纳米二氧化钛的方法主要有溅射发、高温焙烧法、钛醇盐水解法、机械化学法、加热含 Ti、N 的有机前驱体法和溶胶凝胶法等。溅射法需要在真空下电离惰性气体形成等离子体,离子在靶偏压作用下轰击靶材,利用改变惰性气体成分和靶的材料就可以得到含氮量不同的掺氮二氧化钛薄膜。而高温焙烧法则是利用二氧化钛或其前驱物在含 N 气氛中焙烧, 通过调节焙烧温度和气相中 N 的含量来制备不同比例的掺氮二氧化钛。机械化学法是利用各种强度较大的机械作用力使得物质的物理化学性质发生改变,从而使其与周围物质发生反应, 借此得到掺氮二氧化钛。以上三种方法实施条件比较苛刻,在一般实验室中难以实现,所以本实验中没有考虑这三种方法,但是作为掺氮二氧化钛的研究,此三种方法可以为研究提供不同含 N 量的二氧化钛,也是合成掺氮二氧化钛的重要手段。钛醇盐水解法是利用钛醇盐在含氮水溶液中水解,从而制备出掺氮二氧化钛,这种方法可以在较低温度下达到掺杂目的, 但是钛醇盐难以得到,所以该方法也不适合本实验中进行。综合的看各种合成方法,溶胶凝胶法是较为简单、有效地合成掺氮二氧化钛的方法,具体过程是在二氧化钛形成过程中引入 N,N参与了钛盐水解过程或者溶胶凝胶过程,具体的机理至今仍未了解清楚。根据实际情况, 本实验使用溶胶凝胶法合成掺氮二氧化钛。掺氮二氧化钛的重要用途之一就是作为光催化剂,催化各种有机污染物的分解,经过掺中级物理化学实验报告指导老师:肖信氮二氧化钛处理后,水样中有机物转化为 CO 2、H 2O 等无毒小分子,从而达到净水的目的。二氧化钛的光催化作用虽然符合环保要求,而且经济性也很好,但是它具有一些致命的弱点, 例如二氧化钛只能被波长较短的紫外线激发,而紫外线只占照射到地球的太阳光的 4%-5% , 太阳能利用率很低;其次,光生载流子