氮掺杂tio2的制备及催化性能【字数：12865】
当前二氧化钛因为其特有的性能，被应用于生活中的很多领域,但是由于TiO2本身具有局限性，需要对其进行改进,使之更好的被应用于更多方面。在此，我们使用了一种简单的、无模板的合成N-TiO2的方法。通常以近碳或近球形为模板合成球体，有时甚至采用双模板法合成，这使得合成过程更加复杂。本文详细讨论了尿素水溶液在制备均匀中性粒子中的作用。本研究采用尿素作为双作用剂，作为掺杂的氮源，作为pH调节剂。在钛酸四丁酯的控制下，通过小颗粒的聚集形成了球形，而氮的掺杂则是通过尿素分解产物与新鲜TiO2的反应完成的，在处理过程中，二氧化钛中氮的生成和氮的掺杂同时完成。讨论温度对所制得的氮掺杂二氧化钛样品性能的影响。该实验的表征和分析主要是通过XRD的测试进行物相分析，在该实验的反应温度范围内（400℃,500℃,600℃）只会出现锐钛矿相TiO2；通过测试其紫外光谱判断样品吸光性能的好坏,根据该实验所得结果，随着尿素含量的增多,能增强样品的吸光能力，并且在400℃时测得其光催化活性最为优良。得出结论,该实验当引入尿素量为0.54g，反应温度为400℃时所得样品具有最优性能，能最有效率的降解模拟污染物。
目 录
第一章TiO2材料简介 1
1.1引言 1
1.2 TiO2的结构与性质 1
1.2.1 TiO2空间结构 1
1.2.2能带结构 3
1.2.3 TiO2基本性质 3
1.3 TiO2光催化基本原理 4
1.3.1半导体光激发 4
1.3.2 TiO2光催化原理 4
1.4提高TiO2可见光利用率的方法 5
1.4.1过渡金属粒子掺杂 6
1.4.2 稀土元素离子的掺杂 6
1.4.3 非金属元素掺杂改性纳米TiO2 6
1.5 N掺杂TiO2样品的制备 7
1.5.1 水解法 7
1.5.2 溶胶凝胶法 7
1.5.3 气相沉积法 7
1.5.4 模板法 8
1.5.5 其他方法 8
1.6 光催化材料的应用前景 8
1.6.1 光催化降解有机污染物 8
1.6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2 光催化对无机污染物的处理 9
1.6.3 TiO2在抗菌上的作用 9
1.7 本课题研究目的和研究内容思路 10
1.7.1 研究目的 10
1.7.2 研究内容 10
1.7.3 需解决的问题 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验药品和仪器 11
2.1.1 实验药品 11
2.1.2 实验仪器 11
2.2 N掺杂TiO2的制备 11
2.2.1 前驱物的选择 11
2.2.2 溶剂的挑选 12
2.2.3 抑制剂的挑选 12
2.2.4 试剂的配比 12
2.2.5 实验的步骤 12
2.2.6 样品的分析表征 13
第三章 结果与讨论 14
3.1 X射线衍射分析 14
3.1.1 氮掺杂量对样品晶体结构影响 14
3.1.2 处理温度对样品晶体结构影响 14
3.2 红外光谱分析 15
3.3 紫外—可见漫反射光谱 16
3.3.1 氮掺杂量的影响 16
3.3.2 处理温度的影响 18
3.4 光催化性能测试 19
3.4.1 讨论尿素掺杂量对活性的影响 19
3.4.2 讨论温度对光催化活性的影响 22
第四章 结论与期望 24
4.1 结论 24
4.2 期望 24
参考文献 25
致谢 27 第一章TiO2材料简介
1.1引言
日前由于大量污染物排放和化石燃料的燃烧，导致环境和能源问题日益严重，人类所处的境地面临着严峻的考验，催化材料诸如本文将要叙述的二氧化钛由于其独有的性能使它在保护环境方面有较好的应用远景[1]。当今介孔材料作为催化剂、气敏元件、传感器、能量转换器，已经得到了较为广泛的应用。二氧化钛作为一种高效的光催化剂已经得到了广泛的使用。当前对制备介孔二氧化钛的研究已经取得了许多进展[2]。人们通常会采用模板法(表面活性剂和嵌段聚合物)和硬质模板法(多孔二氧化硅、球形、多孔碳)制备TiO2[34]。从另一方面来说，氮掺杂(NTiO2)被证实是将光的吸收范围从紫外扩大到可见光区域的一种有效方法，因为通过掺杂N，用氮代替部分晶格氧可以来缩小带隙。通过直接对TiO2进行直接的元素掺杂、溅射、溶胶等实验研究，所得的样品对可见光具有吸收能力，该种材料拥有广泛的应用前景[58]。可以利用TiO2的光催化性质对部分有机污染物进行降解；处理一些较为常见的无机污染物包括氨、叠氮化物，含铬化合物，含铜、金、铁、锰、等化合物并且TiO2在抗菌方面也有广泛应用，总而言之TiO2材料将会在生活中扮演重要角色，所以我们对TiO2这种材料的研究必须持续下去，使这种材料能够真正的服务人类。
1.2 TiO2的结构与性质
1.2.1 TiO2空间结构
二氧化钛在自然界中以锐钛矿、金红石和板钛矿三种形式存在。它们所属晶系并不完全相同，锐钛矿相和金红石相TiO2的结构属于四方晶系，锐钛矿相的具体的空间结构如图所示(图11 (b))，由于其有较高电子迁移率、密度较低介电常数也较低，因此锐钛TiO2在各方面应用中很广泛。金红石相TiO2，的具体空间结构如(图11 (a))所示晶体结构参数如表11所示[9]。金红石相较为稳定，常温常压下不会有反应能被用作纯白颜料。板钛矿TiO2与其他两种不同不属于四方晶系它属于斜方晶系，由于它的不稳定性，所以板钛矿相TiO2在我们所知的自然界中较为稀少。//
图11 TiO2的晶体结构：（a）金红石相，（b）锐钛矿相
表11 TiO2的晶体结构参数
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1.2.2能带结构
二氧化钛为半导体材料，其锐钛矿相禁带宽度最大(3.2ev)，板钛矿相禁带宽度最小(2.96ev)，金红石相禁带宽度为3.02ev。查阅相关信息所知钛的3d轨道和氧的2p轨道相组合形成TiO2的价带，导带上仅存在钛元素的3d轨道。当将波长小于380nm的光照射TiO2时，活跃于价带上的电子被激发至导带，就此形成带负电电子e该电子活性较高，而与此同时价带空穴h+附带正电，即电子一空穴对[10]，如图12所示。
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目 录
第一章TiO2材料简介 1
1.1引言 1
1.2 TiO2的结构与性质 1
1.2.1 TiO2空间结构 1
1.2.2能带结构 3
1.2.3 TiO2基本性质 3
1.3 TiO2光催化基本原理 4
1.3.1半导体光激发 4
1.3.2 TiO2光催化原理 4
1.4提高TiO2可见光利用率的方法 5
1.4.1过渡金属粒子掺杂 6
1.4.2 稀土元素离子的掺杂 6
1.4.3 非金属元素掺杂改性纳米TiO2 6
1.5 N掺杂TiO2样品的制备 7
1.5.1 水解法 7
1.5.2 溶胶凝胶法 7
1.5.3 气相沉积法 7
1.5.4 模板法 8
1.5.5 其他方法 8
1.6 光催化材料的应用前景 8
1.6.1 光催化降解有机污染物 8
1.6. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2 光催化对无机污染物的处理 9
1.6.3 TiO2在抗菌上的作用 9
1.7 本课题研究目的和研究内容思路 10
1.7.1 研究目的 10
1.7.2 研究内容 10
1.7.3 需解决的问题 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验药品和仪器 11
2.1.1 实验药品 11
2.1.2 实验仪器 11
2.2 N掺杂TiO2的制备 11
2.2.1 前驱物的选择 11
2.2.2 溶剂的挑选 12
2.2.3 抑制剂的挑选 12
2.2.4 试剂的配比 12
2.2.5 实验的步骤 12
2.2.6 样品的分析表征 13
第三章 结果与讨论 14
3.1 X射线衍射分析 14
3.1.1 氮掺杂量对样品晶体结构影响 14
3.1.2 处理温度对样品晶体结构影响 14
3.2 红外光谱分析 15
3.3 紫外—可见漫反射光谱 16
3.3.1 氮掺杂量的影响 16
3.3.2 处理温度的影响 18
3.4 光催化性能测试 19
3.4.1 讨论尿素掺杂量对活性的影响 19
3.4.2 讨论温度对光催化活性的影响 22
第四章 结论与期望 24
4.1 结论 24
4.2 期望 24
参考文献 25
致谢 27 第一章TiO2材料简介
1.1引言
日前由于大量污染物排放和化石燃料的燃烧，导致环境和能源问题日益严重，人类所处的境地面临着严峻的考验，催化材料诸如本文将要叙述的二氧化钛由于其独有的性能使它在保护环境方面有较好的应用远景[1]。当今介孔材料作为催化剂、气敏元件、传感器、能量转换器，已经得到了较为广泛的应用。二氧化钛作为一种高效的光催化剂已经得到了广泛的使用。当前对制备介孔二氧化钛的研究已经取得了许多进展[2]。人们通常会采用模板法(表面活性剂和嵌段聚合物)和硬质模板法(多孔二氧化硅、球形、多孔碳)制备TiO2[34]。从另一方面来说，氮掺杂(NTiO2)被证实是将光的吸收范围从紫外扩大到可见光区域的一种有效方法，因为通过掺杂N，用氮代替部分晶格氧可以来缩小带隙。通过直接对TiO2进行直接的元素掺杂、溅射、溶胶等实验研究，所得的样品对可见光具有吸收能力，该种材料拥有广泛的应用前景[58]。可以利用TiO2的光催化性质对部分有机污染物进行降解；处理一些较为常见的无机污染物包括氨、叠氮化物，含铬化合物，含铜、金、铁、锰、等化合物并且TiO2在抗菌方面也有广泛应用，总而言之TiO2材料将会在生活中扮演重要角色，所以我们对TiO2这种材料的研究必须持续下去，使这种材料能够真正的服务人类。
1.2 TiO2的结构与性质
1.2.1 TiO2空间结构
二氧化钛在自然界中以锐钛矿、金红石和板钛矿三种形式存在。它们所属晶系并不完全相同，锐钛矿相和金红石相TiO2的结构属于四方晶系，锐钛矿相的具体的空间结构如图所示(图11 (b))，由于其有较高电子迁移率、密度较低介电常数也较低，因此锐钛TiO2在各方面应用中很广泛。金红石相TiO2，的具体空间结构如(图11 (a))所示晶体结构参数如表11所示[9]。金红石相较为稳定，常温常压下不会有反应能被用作纯白颜料。板钛矿TiO2与其他两种不同不属于四方晶系它属于斜方晶系，由于它的不稳定性，所以板钛矿相TiO2在我们所知的自然界中较为稀少。//
图11 TiO2的晶体结构：（a）金红石相，（b）锐钛矿相
表11 TiO2的晶体结构参数
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1.2.2能带结构
二氧化钛为半导体材料，其锐钛矿相禁带宽度最大(3.2ev)，板钛矿相禁带宽度最小(2.96ev)，金红石相禁带宽度为3.02ev。查阅相关信息所知钛的3d轨道和氧的2p轨道相组合形成TiO2的价带，导带上仅存在钛元素的3d轨道。当将波长小于380nm的光照射TiO2时，活跃于价带上的电子被激发至导带，就此形成带负电电子e该电子活性较高，而与此同时价带空穴h+附带正电，即电子一空穴对[10]，如图12所示。
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