学位论文—离子掺杂tio2光催化剂的制备及性能研究

《高效TiO2的制备及其光催化性能的研究》摘要：本文针对TiO2的光催化性能进行深入研究，通过制备高效TiO2材料，探讨其制备工艺、结构特性及光催化性能。

通过实验对比，验证了所制备的TiO2材料在光催化领域的应用潜力。

一、引言TiO2作为一种重要的光催化材料，在环保、能源、医疗等领域具有广泛的应用前景。

然而，传统的TiO2制备方法往往存在效率低下、成本较高、性能不稳定等问题。

因此，探索高效、低成本的TiO2制备方法，并研究其光催化性能，对于推动光催化技术的发展具有重要意义。

二、TiO2的制备方法1. 原料选择与预处理：本实验选用高纯度的钛源（如钛酸四丁酯）作为起始原料，通过溶剂法进行溶解和预处理。

2. 制备工艺：采用溶胶-凝胶法结合热处理工艺，通过控制反应温度、时间及热处理条件，制备出具有不同晶型（如锐钛矿型、金红石型）的TiO2。

三、TiO2的结构特性与表征1. 结构分析：通过X射线衍射（XRD）对所制备的TiO2进行晶型分析，确定其晶体结构。

2. 形貌观察：利用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察TiO2的形貌和粒径大小。

3. 光吸收性能：通过紫外-可见光谱分析TiO2的光吸收性能，探究其光响应范围。

四、光催化性能研究1. 实验设置：以有机污染物（如染料废水）为研究对象，评估所制备TiO2的光催化降解性能。

2. 性能对比：通过对比实验，探讨所制备TiO2与市售TiO2的光催化性能差异。

3. 反应机理：结合实验数据和文献资料，分析TiO2的光催化反应机理及影响因素。

五、结果与讨论1. 结构特性：所制备的TiO2具有较高的结晶度和良好的形貌。

其中，锐钛矿型TiO2表现出较高的光催化活性。

2. 光催化性能：实验结果显示，所制备的TiO2在可见光照射下对有机污染物具有较高的降解效率。

与市售TiO2相比，所制备的TiO2表现出更高的光催化活性、更快的反应速率和更长的使用寿命。

3. 影响因素：本实验还探讨了反应温度、pH值、催化剂用量等对光催化性能的影响，为进一步优化实验参数提供依据。

纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。

环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。

纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。

本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。

标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能引言半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。

以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。

科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。

1、TiO2材料简介TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。

在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。

锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV 与之对应的激发波长为387nm。

所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。

只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。

改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。

光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。

粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。

纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究近年来，纳米材料在化学、生物、环境科学等领域中得到了广泛的研究和应用。

其中，纳米二氧化钛（TiO2）作为一种重要的光催化剂，具有高效、可再生和环境友好等特点，在环境净化、能源产生和分解有机物等方面具有广阔的应用前景。

本文将重点探讨纳米TiO2光催化剂的制备方法、改性途径及其应用研究。

一、纳米TiO2光催化剂的制备方法一般来说，制备纳米TiO2的方法可以分为物理法和化学法两类。

物理法主要采用物理化学方法，如溶胶-凝胶法、热分解法、气相沉积法等；化学法则是指溶胶法、水热法、反应混合物法等。

这些方法不仅能够控制纳米颗粒的尺寸和形貌，还能够改变其相结构和晶格缺陷，以调控纳米颗粒的光催化性能。

二、纳米TiO2光催化剂的改性途径为了提高纳米TiO2的光催化活性和稳定性，许多研究者通过改性方法对其表面进行处理。

常见的改性手段包括：掺杂、复合、修饰以及载体的选择等。

掺杂是指将一些金属、非金属元素掺入TiO2晶格中，以调控其能带结构和电子结构，提高光吸收范围和载流子分离效率；复合是指将TiO2和其他半导体材料复合，形成异质结构，提高光生电子-空穴对的分离效果；修饰则是在TiO2表面修饰一层活性物质，如负载金属催化剂、有机染料等，以增强其吸附能力和活性；而载体的选择则常常可以通过介孔材料或纳米载体来限制纳米颗粒的再聚集和增加其比表面积。

三、纳米TiO2光催化剂的应用研究纳米TiO2光催化剂在环境净化、能源产生和有机物降解等方面具有广泛的应用前景。

在环境领域，纳米TiO2光催化剂可以应用于有害物质的分解和废水的处理。

例如，通过纳米TiO2光催化剂的作用，可以分解空气中的甲醛、苯等VOCs （挥发性有机物），从而净化空气。

在废水处理方面，纳米TiO2光催化剂可用于分解废水中的有机物以及去除重金属离子等。

在能源产生方面，纳米TiO2光催化剂可以用于光电子设备的制备。

纳米TiO2颗粒作为光吸收剂，在光电子器件（如光电池）中具有重要的作用。

《高效TiO2的制备及其光催化性能的研究》一、引言随着环境问题的日益严重，光催化技术因其独特的优势，如节能、环保、高效等，受到了广泛的关注。

其中，TiO2作为一种重要的光催化剂，因其良好的化学稳定性、无毒性、低成本等特性，被广泛应用于废水处理、空气净化、太阳能电池等领域。

因此，研究高效TiO2的制备方法及其光催化性能具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、TiO2的制备方法目前，制备TiO2的方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积法等。

其中，溶胶-凝胶法因其操作简便、成本低廉等优点，成为一种常见的制备方法。

在本研究中，我们采用溶胶-凝胶法制备高效TiO2。

具体步骤如下：首先，将钛源（如钛酸四丁酯）与溶剂（如乙醇）混合，形成均匀的溶液。

然后，通过控制反应条件（如温度、时间、pH值等），使溶液发生水解和缩聚反应，形成溶胶。

最后，通过干燥、煅烧等步骤，得到TiO2粉末。

三、TiO2的光催化性能研究1. 实验材料与设备实验材料包括TiO2粉末、目标污染物（如有机染料）、实验用水等。

实验设备包括光催化反应器、紫外-可见分光光度计、扫描电子显微镜等。

2. 实验方法与步骤（1）光催化反应实验：将TiO2粉末与目标污染物混合，置于光催化反应器中。

在特定波长的紫外光照射下，观察并记录反应过程及结果。

（2）表征与分析：利用扫描电子显微镜观察TiO2的形貌；利用紫外-可见分光光度计测定TiO2的光吸收性能；通过对比不同条件下光催化反应的效果，分析TiO2的光催化性能。

四、结果与讨论1. 形貌分析通过扫描电子显微镜观察发现，制备的TiO2呈规则的球形或片状结构，粒径分布均匀。

这有利于提高TiO2的光催化性能，因为较小的粒径可以缩短光生电子和空穴的迁移距离，减少复合几率。

2. 光吸收性能分析紫外-可见分光光度计测试结果表明，制备的TiO2具有良好的光吸收性能，能有效地吸收紫外光。

此外，我们还发现不同制备条件下的TiO2光吸收性能有所差异，这可能与TiO2的结晶度、颗粒大小等因素有关。

《纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究》篇一一、引言随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，光催化技术作为一种绿色、高效的环保技术，受到了广泛关注。

纳米TiO2光催化剂因其具有优异的光催化性能，成为了该领域的研究热点。

本文将对纳米TiO2光催化剂的制备方法、改性手段以及应用领域进行深入的研究。

二、纳米TiO2光催化剂的制备纳米TiO2光催化剂的制备方法主要有溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积法等。

其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法。

该方法通过将钛醇盐或无机钛盐溶于溶剂中，经过水解、缩聚等过程形成溶胶，再经过干燥、煅烧等过程得到纳米TiO2光催化剂。

三、纳米TiO2光催化剂的改性为了提高纳米TiO2光催化剂的性能，人们采用了多种改性手段。

常见的改性方法包括贵金属沉积、非金属元素掺杂、半导体复合等。

1. 贵金属沉积：通过将贵金属（如Au、Pt等）沉积在纳米TiO2表面，可以有效地提高其光催化性能。

贵金属的沉积可以改变纳米TiO2表面的电子结构，提高其光吸收能力和光生载流子的分离效率。

2. 非金属元素掺杂：通过将非金属元素（如N、C、S等）引入纳米TiO2晶格中，可以拓宽其光谱响应范围，提高可见光利用率。

同时，掺杂还可以提高纳米TiO2的载流子浓度和迁移率，从而提高其光催化性能。

3. 半导体复合：将纳米TiO2与其他半导体材料进行复合，可以形成异质结，提高光生载流子的分离效率。

常见的复合材料包括CdS、WO3等。

四、纳米TiO2光催化剂的应用纳米TiO2光催化剂在环保、能源、医疗等领域具有广泛的应用。

1. 环保领域：纳米TiO2光催化剂可以用于废水处理、空气净化等方面。

其具有优异的光催化性能，可以将有机污染物降解为无害物质，同时还可以杀灭细菌和病毒。

2. 能源领域：纳米TiO2光催化剂可以用于太阳能电池中，提高太阳能的利用率。

同时，还可以用于光解水制氢等领域，为新能源的开发提供技术支持。

3. 医疗领域：纳米TiO2光催化剂可以用于抗菌、防霉等方面。

《铟掺杂TiO2光催化剂的合成和及其性能研究》铟掺杂TiO2光催化剂的合成及其性能研究一、引言随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，光催化技术作为一种高效、环保的解决方案，受到了广泛关注。

其中，TiO2因其良好的化学稳定性、无毒性以及高催化活性，成为光催化领域的研究热点。

然而，纯TiO2的光催化性能仍存在一些局限性，如光响应范围窄、量子效率低等。

为了改善这些问题，研究者们尝试通过元素掺杂的方法来提高TiO2的光催化性能。

本篇论文旨在研究铟掺杂TiO2光催化剂的合成方法及其性能表现。

二、铟掺杂TiO2光催化剂的合成1. 材料与试剂本实验所需材料包括TiO2（P25）、铟盐（如In(NO3)3·xH2O）、去离子水等。

所有试剂均为分析纯，使用前未进行进一步处理。

2. 合成方法采用溶胶-凝胶法合成铟掺杂TiO2光催化剂。

具体步骤如下：（1）将一定量的TiO2和铟盐溶解在去离子水中，形成均匀的溶液；（2）在搅拌条件下，向溶液中加入适量的螯合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA），以控制掺杂元素的分布；（3）将溶液在恒温条件下蒸发至形成干凝胶；（4）将干凝胶在马弗炉中煅烧，得到铟掺杂TiO2光催化剂。

三、性能研究1. 结构表征通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对合成的铟掺杂TiO2光催化剂进行结构表征。

结果表明，铟成功掺杂到TiO2晶格中，且催化剂具有较高的结晶度和均匀的颗粒尺寸。

2. 光学性能通过紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和荧光光谱（PL）研究铟掺杂对TiO2光学性能的影响。

结果表明，铟掺杂可以显著提高TiO2的光吸收范围，降低电子-空穴对的复合率。

3. 光催化性能以染料废水为模型反应体系，评价铟掺杂TiO2光催化剂的光催化性能。

在相同条件下，与纯TiO2相比，铟掺杂TiO2光催化剂具有更高的降解率和矿化度。

这表明铟掺杂可以有效提高TiO2的光催化性能。

本科毕业设计（论文）题目TiO2改性催化剂的制备及光催化应用Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisPreparation and Photocatalytic Aplication of theChanged Properties of the TiO2 CatalystsGrade: 2008Name:Speciality: ChemistryInstructor :School of Chemical Engineering and Technology2012-6TiO 2改性催化剂的制备及光催化应用i摘要为了解决二氧化钛在应用中太阳能利用效率低和光量子利用效率低的技术难题，人们通过金属元素掺杂等手段对TiO 2进行改性研究。

掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度，影响电子与空穴的复合或拓展光的吸收波段，从而提高TiO 2的光催化活性。

本文采用溶胶—凝胶法制备了第四周期过渡金属离子和第Vlll 族贵金属元素掺杂的纳米TiO 2粉末光催化剂，利用XRD 、SEM 等多种手段对掺杂前后粉末性能进行了表征。

系统全面地研究了不同焙烧温度，不同掺杂金属，不同掺杂量，不同反应温度等因素对催化活性的影响。

在未掺杂条件下，500℃焙烧的TiO2催化活性最好,且晶形为锐钛矿晶形，700℃下的则大部分为板钛矿晶形；在相同条件下Fe 、Cu 、Zn 、Ag 分别掺杂后，Fe 掺杂活性最好，且明显优于未掺杂的样品，说明掺杂使催化剂的性质有了明显优化；在不同量的Fe 的掺杂样品中，0.05%的比例下催化活性最好；最后验证了在pH=3条件下催化甲基橙的效果最好。

本论文通过金属元素掺杂的方法对纳米TiO 2光催化剂进行改性研究，解决了制备过程中的一些技术问题，获得了改性后TiO 2光催化剂的制备方法和性能的变化以及影响光催化活性的规律。

关键词: 纳米TiO 2；光催化；掺杂改性；过渡金属；溶胶凝胶法西南石油大学本科毕业设计（论文）AbstractEfficiency of solar energy utilization in application in order to solve the titanium dioxide in low light and low quantum efficiency of technical difficulties, by means of metal-doped TiO2 for modification. Doping introduces crystallinity of defect location, or change the semiconductor surface, effect of composite or expanding the optical absorption of electrons and holes-band, thus improving photocatalytic activity of TiO2.e as well as the preparation of photocatalytic activity of law.This article using sol-gel preparation of fourth cycle Vlll precious metals and transition metal ions doped nanometer Photocatalyst TiO2 powders, using various methods such as XRDSEM to characterization of the properties of doped powders before and after. System study of the different roasting temperature, doped with different metals, different amount of doping, effect of different factors such as temperature on catalytic activity.In is not doping conditions Xia, 500 ℃roasting of TiO2 catalytic activity best, and Crystal shaped for sharp titanium mine Crystal shaped, 700 ℃Xia of is most for Board titanium mine Crystal shaped; in same conditions Xia FeCuZnAg respectively doping Hou, Fe doping activity best, and clear better than is not doping of samples, description doping makes catalyst of nature has has clear optimization; in different volume of Fe of doping samples in the, 0.05% of ratio Xia catalytic activity best; last validation has in pH=3 conditions Xia catalytic methyl orange of effect best.This paper by method of metal doped Nano-TiO2 study to modified Photocatalyst, solves some technical problems in the preparation process, obtained the modified TIO2 Photocatalyst effect and changes in performance as well as the preparation of photocatalytic activity of law.Keywords: Nano-TiO2; photocatalytic; modified by doping; transition metals; sol-gel methodiiTiO2改性催化剂的制备及光催化应用iiiTiO 2改性催化剂的制备及光催化应用I目录摘要 ................................................................... i Abstract .. (ii)1.文献综述 (1)1.1 纳米TiO 2光催化材料简介及光催化机理 (1)1.1.1 纳米TiO 2光催化材料简介 (1)1.1.2 TiO 2光催化的基本原理 (1)1.2 提高光催化性能的改性方法及原理 (3)1.2.1 过渡金属元素掺杂 (3)1.2.2 稀土元素掺杂 (4)1.2.3 非金属元素掺杂 (4)1.3 掺杂TiO 2制备方法 (5)1.3.1 共沉淀法 (6)1.3.2 浸渍法 (6)1.3.3 W/O 型微乳液法 (6)1.3.4 固相反应法 (7)1.3.5 溶胶凝胶法溶胶一凝胶法 (7)1.4 金属离子掺杂改性TiO 2的原理及影响因素 (8)1.4.1 金属离子掺杂 TiO 2 的光催化机理 (8)1.4.2 金属离子掺杂改性TiO 2光催化性能的影响因素 (9)1.5 TiO2光催化技术在环境净化方面的应用 (11)1.5.1 水环境有机污染物的去除 (11)1.5.2 空气净化 (12)1.5.3 高效杀菌 (12)1.6 本课题研究的意义及内容 (13)1.6.1本课题研究的意义 (13)1.6.2本课题研究的内容 (13)2 实验方法 (15)2.1 设计及实验流程图 (15)2.2 仪器与试剂 (16)西南石油大学本科毕业设计（论文）II2.2.1 实验仪器 (16)2.2.2 分析测量仪器 (16)2.2.3 化学试剂和原材料 (16)2.2.4 初始化学试剂的配制 (17)2.3 凝胶的制备及条件的选择 (18)2.3.1 TiO 2凝胶的制备 (18)2.3.2 M/TiO 2凝胶的制备 (19)2.4 粉末的制备 (19)2.5 粉末的光催化降解实验方法 (19)2.6 粉末的表征 (20)3.实验结果及讨论 (21)3.1 焙烧温度的影响及优选 (21)3.2 不同金属掺杂的影响及优选 (21)3.3 掺杂量的影响及优选 (22)3.4 不同反应pH 的影响及优选 (23)3.5 表征数据的处理及分析 (23)3.5.1 (23)3.5.2 (23)3.5.3 (23)4 结论 (24)5 谢辞 (27)6 参考文献 (26)7.附录 (28)1.文献综述1.1 纳米TiO2光催化材料简介及光催化机理1.1.1 纳米TiO2光催化材料简介自从1972年日本Fujisima和Honda报道了TiO2电极上电解水现象后，半导体光催化引起了国际化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注。

毕业设计（论文）纳米二氧化钛的制备与光催化性能研究1 绪论二氧化钛，化学式为TiO2，俗称钛白粉，多用于光触媒、化妆品，能靠紫外线消毒及杀菌，现正广泛开发，将来有机会成为新工业。

二氧化钛可由金红石用酸分解提取，或由四氯化钛分解得到。

二氧化钛性质稳定，大量用作油漆中的白色颜料，它具有良好的遮盖能力，和铅白相似，但不像铅白会变黑[1]；它又具有锌白一样的持久性。

二氧化钛还用作搪瓷的消光剂，可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。

在过去的研究中，用半导体粉末对水、油和空气中的有毒有机化合物进行光催化降解和完全矿化引起了人们的大量关注。

由于抗光腐蚀性，化学稳定性，成本低，无毒和强氧化性，二氧化钛被作为应用最广泛的光催化剂来光降解水和空气中的有毒化合物。

但是二氧化钛具有较大的带隙（锐钛矿相二氧化钛为3.20ev）因此，只有较小一段太阳光区域，大约为2%~3%紫外光区可被应用[2]。

人们尝试用各种制备方法，如贵金属掺杂、氧化物复合、表面修饰等等方法，防止和减少电子与空穴的复合，提高催化剂的光催化活性。

众所周知，吸附和催化的效率与固体的孔径及表面积有关，因此，对二氧化钛进行修饰、改性及增大比表面积是提高光量子效率和增大反应速率的一个有效的方法与途径。

1.1 TiO2的结构与基本性质1.1.1物理常数及结构特征表1 TiO的物理常数1.1.2 TiO2的结构特征在自然界中，TiO2存在三种晶型结构，即金红石、锐钛矿和板钛矿。

这些结构的区别取决于TiO68-八面体的连接方式，图1-1是TiO68-八面体的两种连接方式，锐钛矿结构是由TiO68-八面体共边组成，而金红石和板钛矿结构则是由TiO68-八面体共顶点且共边组成。

锐钛矿TiO2中的每个八面体与周围8个八面体相连，金红石TiO2中每个八面体与周围10个八面体相连。

事实上锐钛矿可以看做是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八面体结构[3]。

简单地认为锐钛矿比金红石活性高是不严谨的，它们的活性受其晶化过程的一些因素影响。

《高效TiO2的制备及其光催化性能的研究》摘要：本文以高效TiO2的制备工艺及光催化性能为主要研究对象，通过对不同制备方法及条件的分析，探讨其制备过程中各因素对最终产品性能的影响。

本文旨在为TiO2的制备提供新的思路和理论支持，并为实际应用中的光催化性能提供实验依据。

一、引言TiO2作为一种广泛使用的光催化剂，在环境治理、污水处理、空气净化等领域发挥着重要作用。

然而，TiO2的制备方法、结构及其光催化性能的优化仍是科研人员关注的热点。

本文通过系统研究不同制备方法及条件对TiO2性能的影响，为提高其光催化效率提供理论支持。

二、文献综述近年来，关于TiO2的制备及其光催化性能的研究逐渐增多。

其中，制备方法、晶体结构、比表面积、粒径大小等因素对TiO2的光催化性能具有重要影响。

不同的制备方法如溶胶-凝胶法、水热法、化学气相沉积法等各有优劣，对TiO2的性能产生显著影响。

此外，TiO2的晶体结构（如锐钛矿、金红石等）也对其光催化性能产生重要影响。

三、实验材料与方法（一）实验材料本实验所使用的原材料主要包括钛源（如钛酸四丁酯）、溶剂（如乙醇、水等）、催化剂及其他添加剂等。

（二）实验方法1. 制备方法：采用溶胶-凝胶法、水热法等多种方法制备TiO2。

2. 实验设计：探讨不同制备条件（如温度、时间、原料配比等）对TiO2性能的影响。

3. 性能测试：通过紫外-可见光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等手段，对所制备的TiO2进行表征，并测试其光催化性能。

四、实验结果与分析（一）不同制备方法对TiO2性能的影响通过对比溶胶-凝胶法、水热法等不同制备方法所制备的TiO2，发现水热法所制备的TiO2具有更高的比表面积和更小的粒径，从而表现出更好的光催化性能。

（二）制备条件对TiO2性能的影响1. 温度：在一定的温度范围内，随着温度的升高，TiO2的结晶度提高，光催化性能增强。

但过高的温度可能导致颗粒团聚，反而降低其性能。