基本信息
- 項目名稱：
- 高活性TiO2及其N摻雜光催化劑的制備及性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 項目基于氮摻雜TiO2的制備，分別研究了F改性制備高活性TiO2，并以之為基礎探索了采用兩步后處理法，進一步引入氮元素獲得N-TiO2復合光催化劑，以及原位合成法制備摻氮TiO2的有關影響因素。
- 詳細介紹：
- 采用水熱合成法，成功獲得了具有多級結構的銳鈦礦TiO2納米晶組裝體，顯示出優(yōu)于P25的紫外光降解甲基橙活性；探索了以不同含氮試劑、采用兩步后處理法在上述TiO2納米晶組裝體中引進氮元素，考察了液相法和固相法等摻氮工藝，發(fā)現液相法制備的N-TiO2復合光催化劑其性能優(yōu)于固相法；研究了用原位合成法制備摻N-TiO2，并評價其可見光催化活性，確定了最佳的原位合成N-TiO2催化劑的氮源（尿素）和煅燒溫度、時間等反應條件。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 納米TiO2是一種很好的光催化劑，廣泛用于光解水、殺菌、光催化降解有機污染物等。但受其禁帶寬度限制，納米TiO2對太陽能的利用率很低。項目基于氮摻雜TiO2的制備，分別研究了F改性制備高活性TiO2，并以之為基礎探索了采用兩步后處理法，進一步引入氮元素獲得N-TiO2復合光催化劑，以及原位合成法制備摻氮TiO2的影響因素。
科學性、先進性及獨特之處
- 關于氮摻雜TiO2粉體材料的制備有多種方法，根據摻入氮的階段不同，可以分為過程處理和后處理。本項目成功制得了具有高紫外光降解活性的多級結構F改性TiO2銳鈦礦納米晶組裝體，并系統(tǒng)比較了兩種不同摻氮工藝（兩步法和原位合成）對所制備N-TiO2復合催化劑光催化降解性能的影響，著重探討了不同有機胺類試劑對原位合成的影響。
應用價值和現實意義
- 光催化是有望發(fā)展成為直接利用太陽光和空氣中的氧降解有毒有害污染物的一項綠色污染治理新技術。TiO2具有光催化活性高、化學性質穩(wěn)定，且價廉、無毒等優(yōu)勢，已成為最有潛力的光催化材料。但是，銳鈦礦TiO2的禁帶寬度為3.2eV，只能吸收紫外光作為激發(fā)源。因此，研制具有可見光活性的TiO2光催化劑，是提高太陽能利用率、推進光催化技術實用化進程的關鍵，已成為催化領域最重要和最具挑戰(zhàn)性的課題。
學術論文摘要
- 研究了采用水熱合成法控制制備具有多級結構的F改性銳鈦礦TiO2，所得產物微觀上呈現規(guī)則有序的微米球形貌，由大量具有高活性晶面的納米板堆積而成，對模擬污染物甲基橙的紫外光降解性能大大優(yōu)于商業(yè)光催化劑P25。在此基礎上，進一步考察了采用“兩步法”制備N摻雜F改性TiO2復合光催化劑，以及溶膠凝膠、水解沉淀等“原位合成”方法制備N摻雜TiO2復合光催化劑。對比分析了不同結構的有機、無機氮源（如乙醇胺、三乙胺、六次甲基四胺、尿素、氨水等）和制備工藝條件對二氧化鈦的摻雜效果，通過XRD、SEM、TEM、紫外-可見光譜分析等手段對摻氮樣品進行了表征。
獲獎情況
- 相關內容尚未發(fā)表
鑒定結果
- 項目富有成效，具有創(chuàng)新性。
參考文獻
- [1]Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facets;NATURE 2008，Vol 453，638-642 [2] 唐建軍,王岳俊,鄧愛華,等. N摻雜TiO2光催化劑的制備與表征[J]. 中國有色金屬學報, 2007, 17 (9) : 1555 - 1560.
同類課題研究水平概述
- 近年來,由于在降解多種環(huán)境污染物所表現出來的優(yōu)異能力,以及相對于其它半導體催化劑具有高穩(wěn)定性、價廉、無毒、高效率等優(yōu)勢, TiO2 正逐漸成為最有潛力的光催化材料。1972年A. Fujishima 等人發(fā)現TiO2 光分解水以來 , TiO2 光催化降解水制氫方面的研究也倍受重視。R. Wang 等人發(fā)現TiO2的超親水性,更是使TiO2 逐漸被用于防霧、自清潔涂層材料。在3種最常見TiO2 晶型(銳鈦礦、板鈦礦、金紅石) 中,銳鈦礦具有更好的光催化活性。但是,銳鈦礦TiO2 的禁帶寬度為3. 2eV ,這就要求以紫外光(λ≤387nm) 作為激發(fā)源。人工紫外光的發(fā)生需要能量消耗,且大劑量的紫外線輻射對人體也是有害的,這在一定程度上限制了TiO2 的廣泛應用。到達地球表面的太陽光中紫外線只占約5 % ,而可見光則占約45 %。如果通過改變TiO2 的電子結構,以使其吸收可見光成分,則可以充分利用太陽能作為TiO2 光誘導的有效激發(fā)源,從而大大提高TiO2 在光催化降解、氫能制備、光電轉換等領域實際應用的潛力。因此, TiO2 的可見光催化成為目前TiO2 光誘導特性領域的研究重點。改變TiO2 電子結構以獲得可見光催化活性的常用方法是摻雜 。其中,過渡金屬元素摻雜雖然可以產生顯著的可見光吸收,但由于熱穩(wěn)定性降低、增加了電子孔穴等缺點,使其在實際應用中受到限制。2001年R. Asahi等人在TiO2 非金屬元素摻雜方面的突破性工作使TiO2 可見光催化活性方面的研究大大向前邁進了一步,并使非金屬元素摻雜(N、C、S、F 等) 成為目前TiO2 半導體摻雜領域研究的熱點。本文詳細介紹了基于N、C、S、F 摻雜的TiO2 可見光催化方面的實驗和理論研究的最新進展,并探討了TiO2 非金屬元素摻雜在未來的研究方向。R. Asahi 等人根據非金屬元素摻雜后TiO2 的態(tài)密度分布,發(fā)現N 是最有希望作為賦予TiO2 可見光催化活性的非金屬元素。實驗也證實摻氮導致TiO2 具有顯著的可見光催化活性。此后,人們提出了多種制備TiO2 摻氮的方法,研究了不同制備方法下摻氮TiO2 的光催化活性。
