Nb2O5-doped TiO2 光催化

纳米TiO2的光催化性能及其在有机污染物降解中的应用1前言随着石油工业的发展，以石油裂解产物为原料进行合成的有机产品越来越多，不可避免地带来环境污染问题。

随着对环境熟悉的不断深入和水处理技术不断提高，利用半导体光催化作用降解和消退有害有机物，就引起人们极大的关注，这种方法具有高效、节能、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。

其中，纳米TiO2尤为引人注目。

纳米TiO2在光照耀下产生剧烈的氧化能力，可把水和空气中的很多难分解有毒有机污染物氧化分解为二氧化碳、水等无机物，其优点是：反应条件温柔，能耗低，在紫外光或太阳光照耀下即可发生光催化反应；反应速度快，废水停留时间仅需要几分钟到几小时；降解没有选择性；无二次污染；应用范围广。

2机理TiO2属于Ｎ型半导体材料，具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空白的高能导带构成，价带和导带间存在禁带。

TiO2的禁带宽度为3.2eV，当它汲取波长小于或等于387.5nm 的光子后，价带上的电子(ｅ-)被激发跃迁至导带，形成带负电的高活性电子ecb-。

同时，在价带上产生带正电的空穴(hvb+)，在电场作用下，电子与空穴分别并迁移到粒子表面。

光生空穴有很强的捕获电子能力，具有强氧化性，可将吸附在TiO2表面的ＯＨ－和Ｈ２Ｏ分子氧化成·ＯＨ自由基。

其反应机理可用下式表示：TiO2＋H2O→ｅ-＋ｈ+Ｈ+＋Ｈ2Ｏ→·ＯＨ＋Ｈ+Ｈ+＋ＯＨ-→·ＯＨＯ2＋ｅ-→·Ｏ2-·Ｏ2-＋Ｈ+→ＨＯ2·２ＨＯ2·→Ｏ2＋Ｈ2Ｏ2Ｈ2Ｏ2＋Ｏ2-→·ＯＨ＋ＯＨ-＋Ｏ2·ＯＨ自由基的氧化能力很强，能将大多数有机污染物及部分无机污染物氧化降解为ＣＯ2，Ｈ2Ｏ等无害物质，且·ＯＨ对反应物无选择性，在光催化氧化中起着打算性作用。

3影响光催化活性的因素3.1晶体结构用于光催化的纳米TiO2有金红石和锐钛矿两种晶型，由于在两种晶体中Ti-O八面体的畸变程度和八面体间相互联接的方式不同，使两种晶型在质量密度及电子能带结构上存在差别。

氮掺杂二氧化钛的制备及性能氮掺杂二氧化钛的制备及性能一、引言二氧化钛（TiO2）作为一种重要的半导体材料，具有良好的光催化性能和光电化学性能。

然而，纯TiO2的禁带宽度较大，仅能吸收紫外光，限制了其在可见光区域的应用。

因此，通过掺杂改性，尤其是氮掺杂，能有效地提高TiO2的可见光吸收能力，从而扩展其应用领域。

本文将详细讨论氮掺杂二氧化钛的制备方法及其性能。

二、制备方法1. 溶胶-凝胶法：通过溶胶-凝胶法制备氮掺杂二氧化钛是常见的方法之一。

首先将适量的钛酸四丁酯和氨水溶液混合，形成透明溶液。

随后，在搅拌条件下将溶液水热处理，使其形成凝胶。

最后，将凝胶进行干燥和煅烧处理，得到氮掺杂二氧化钛。

2. 气相沉积法：气相沉积法是另一种制备氮掺杂二氧化钛的方法。

该方法需要使用金属有机化合物和氨气作为原料气体。

首先，金属有机化合物和氨气在高温下反应，生成氮掺杂二氧化钛的前驱体。

然后，前驱体在低温条件下进行热解，得到氮掺杂二氧化钛薄膜。

三、性能研究1. 光催化性能：氮掺杂二氧化钛具有优异的光催化性能。

研究表明，在可见光照射下，氮掺杂二氧化钛能够有效分解有机污染物，如甲基橙、罗丹明B等。

由于氮掺杂引入了新的能级，提高了光生载流子的分离效率，从而提高了光催化活性。

2. 光电化学性能：氮掺杂二氧化钛可用于制备高效的光电化学电池。

研究发现，经过氮掺杂的二氧化钛在阳极材料中应用于染料敏化太阳能电池，其光电转换效率明显提高。

氮掺杂引入的能级有利于电子的传输和被捕获，从而增强了光电流的产生。

3. 可见光吸收能力：纯TiO2只能吸收紫外光，因此其在可见光区域的利用率较低。

通过氮掺杂，TiO2的禁带宽度缩小，能够吸收可见光，从而提高了材料在可见光区域的利用效率。

四、应用展望氮掺杂二氧化钛具有广泛的应用前景。

一方面，其在环境领域中可以应用于水处理、空气净化等方面；另一方面，其在能源领域中可以用于制备高效光电化学电池、染料敏化太阳能电池等。

TiO?光催化氧化机理TiO?属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev （锐钛矿），当它受到波长小于或等于387.5nm的光（紫外光）照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（&）；而价带中则相应地形成光生空穴（h+），如图1-1所示。

图IT Ti爲光电效应示意图Fi 此L-L Schematic diagram of phnto&lectric transfer effect on TiQ如果把分散在溶液中的每一颗TiO?粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO?表面不同的位置。

TiO?表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴八则可氧化吸附于TiO?表面的有机物或先把吸附在TiO?表面的OHff 口9分子氧化成-0H1由基，• OH 自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、反应过程如下：反应过程如下：CO和HO等无害物质。

+・1. . . 1. ■(3)h+eG热能h++OH-TOH⑸+ h + H 2O TOH + H +(6) e- +0 2T O2(7)O2+H+ THO2 ・⑻2H2OTO2+H 2O20)H2O2 +02 TOH + H +02(10)OH + dye T ・ T CO2 + H 2O(11)H+ dye T •—> C02 + H20(12)由机理反应可知,TiO?光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应TiO 2光催化氧化的影响因素1 试剂的制备方法常用TiO 2光催化剂制备方法有溶胶一凝胶法、沉淀法、水解法等。

不同方法制得的TiO 2粉末的粒径不同，其光催化效果也不同。

同时在制备过程中有无复合，有无掺杂等对光降解也有影响。

TiO 2的制备方法在许多文献上都有详细的报道，这里就不再赘述。

《纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究》篇一一、引言随着环境保护意识的提高和可持续发展的需求，光催化技术因其在太阳能利用、环境污染治理及光催化反应等多个领域的广泛应用而受到广泛关注。

其中，纳米TiO2光催化剂因其优异的性能和低廉的成本，成为当前研究的热点。

本文将重点探讨纳米TiO2光催化剂的制备、改性及其应用研究。

二、纳米TiO2光催化剂的制备1. 物理法物理法包括气相法、真空蒸发法等，主要通过高温处理获得高质量的纳米TiO2粉末。

其优点是制得的纳米粒子具有较好的晶型结构，但存在生产效率较低，成本较高的缺点。

2. 化学法化学法包括溶胶-凝胶法、水热法等。

其中，溶胶-凝胶法是通过在溶液中制备出均匀的溶胶，然后通过热处理获得纳米TiO2。

水热法则是在高温高压的水溶液中直接进行化学反应。

这两种方法均具有较高的生产效率和较低的成本。

三、纳米TiO2光催化剂的改性由于纳米TiO2光催化剂在可见光区域的响应能力较弱，研究者们通过掺杂、表面修饰等方法对其进行改性。

1. 掺杂掺杂是提高纳米TiO2光催化剂可见光响应能力的一种有效方法。

通过在TiO2晶格中引入其他元素（如氮、硫等），可以拓宽其光谱响应范围，提高对可见光的利用率。

2. 表面修饰表面修饰是通过在纳米TiO2表面引入其他物质（如贵金属、金属氧化物等）来改善其性能。

这些物质可以有效地捕获光生电子和空穴，抑制其复合，从而提高光催化效率。

四、纳米TiO2光催化剂的应用研究1. 环境保护领域纳米TiO2光催化剂在环境保护领域的应用主要包括废水处理、空气净化等。

其优异的氧化还原性能可以有效地降解有机污染物，净化空气和水质。

2. 能源领域纳米TiO2光催化剂在能源领域的应用主要包括太阳能电池、光催化制氢等。

其可以通过吸收太阳能并产生光生电子和空穴，从而实现光电转换或光催化反应，为能源的可持续利用提供新的途径。

五、结论纳米TiO2光催化剂因其优异的性能和低廉的成本，在环境保护和能源领域具有广泛的应用前景。

氮掺杂tio2可见光响应的机理
氮掺杂TiO2是一种新型的可见光响应光催化材料，近年来备受研究者们的关注。

该材料的研究不仅有助于解决传统TiO2光催化材料仅能利用紫外光的局限性，而且有望在环境净化、水处理、能源转化等领域得到广泛应用。

然而，目前对氮掺杂TiO2机理的认识还不够深入，尤其是其可见光响应机制仍存在较大争议。

近期的一些研究表明，氮掺杂TiO2的可见光响应主要是由氮掺杂引入的空穴捕捉中心引发的，这些中心能够有效地降低光生电子-空穴对的复合速率，从而提高材料的光催化性能。

同时，氮掺杂还能够改变TiO2的能带结构，使其在可见光范围内吸收更多的光子，从而提高光催化效率。

此外，氮掺杂还会影响TiO2表面的化学性质，如表面酸性和碱性，从而影响光催化反应的速率和选择性。

氮掺杂的掺杂浓度、掺杂方式、处理温度等因素也对氮掺杂TiO2的光催化活性产生显著的影响。

总之，氮掺杂TiO2的可见光响应机理是一个复杂的研究课题，需要综合考虑多种因素的影响。

未来的研究应注重深入探究氮掺杂对TiO2光催化性能的影响机制，以推动氮掺杂TiO2在环境净化、水处理、能源转化等领域的应用。

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纳米TiO2催化剂的制备改性、表征及在光催化氧化过程中的性能研究自从上世纪七十年代以来，二氧化钛在环境治理方面的研究被迅速开展起来。

二氧化钛最大的优点是无毒、抗腐蚀，由于具有稳定的物理和化学性质被广泛地用作催化剂和载体。

其中研究最多的是二氧化钛在光催化氧化过程中的应用。

当物质所具有的尺寸属于纳米级别（<100nm），其特殊的表面效应和体积效应决定了其具有特殊的化学性质。

由于纳米颗粒表面原子数与其总原子数之比随粒径变小而急剧增大，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子大相径庭，从而使其具有很大的化学活性。

另外，纳米颗粒因其表面原子周围缺少相邻原子会存在许多悬空键，具有不饱和性质，这些因素将导致纳米颗粒的特殊吸附现象，反应活性和催化性质。

纳米二氧化钛催化剂由于其特殊的表面状态和表面能，具有很高的活性和吸附能力是一种性能优良的催化剂。

纳米材料的制备可分为物理方法和化学方法两大类。

物理方法包括机械研磨法、沉积法和熔融法等，其中最常见的为机械粉碎法。

物理方法通常能耗大、成本高、尺寸可控性差，可取之处在于所得材料的微晶结构较为完善、表面缺陷相对较小。

化学方法在微粒粒度、粒度分布、微粒表面控制方面有一定优越性，主要包括：化学气相沉积法、液相法、溶胶—凝胶法、固相反应法、辐射合成法。

1.纳米二氧化钛的制备纳米二氧化钛的合成方法很多中溶胶—凝胶法以其工艺简单、反应温度低、能耗小、且引入杂质的可能性小、制得的产品粒度小、纯度高、分散性好等优点，成为合成超细二氧化钛的主要方法。

溶胶—凝胶技术是指金属的有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成为氧化物或其他固体化合物的方法，所需要的烧结温度比传统的固相反应法低200~500℃。

采用溶胶—凝胶法制备纳米二氧化钛，选择钛酸丁酯作为前驱物，令其均匀混合于无水乙醇中并发生水解与缩聚反应，形成稳定的溶胶体系，溶胶再经过陈化转变为凝胶，最后对凝胶进行热处理得到超细的二氧化钛颗粒。

纳米二氧化缺光催化技荷介^纳米光催化探用二氧化金太(TiO2)半^髓的效鹿启攵勤材料表面吸附氧和水分，走生活性氢氧自由基(OH.)和超氧陪雕子自由基(02-), ^而^化舄一希重具有安全化孥能的活性物筲起到碳化降解璞境污染物和抑菌杀殳菌的作用。

纳米二氧化金太(TiO2)光催化利用自然光即可催化分解^菌和污染物，具有高催化活性、良好的化孥穗定性、照二次污染、照刺激性、安全照毒等特黑占，且能畏期有益於生熊自然璞境，是最具有^畿前景的^色璞保催化蒯之一。

然毒害的纳米TiO2催化材料，充分畿撞抗菌、降解有^污染物、除臭、自浮化的功能，是^璞保型功能材料^施方便、雁用性弓鱼，能^ 用到生活空^的多重埸合，畿撞其多功能效废，成舄我仍生活璞境中起畏期浮化作用的璞保材料。

光催化原理-什麽是光催化光催化［Photocatalyst ］是光［Photo二Light］ +催化蒯［catalyst］的合成羞司。

主要成分是二氧化金太（Ti02）,二氧化金太本身照毒照害，已腐泛用於食品，髻桑，化片攵品等各希重令臭域。

光催化在光的照射下畲走生^似光合作用的光催化反雁（氧化-遢原反雁，走生出氧化能力桎弓鱼的自由氢氧基和活性氧，是些走物可^M^菌和分解有檄污染物。

亚且把有檄污染物分解成照污染的水（H20）和二氧化碳（C02）,同畤它具有杀殳菌、除臭、防汗、^水、防紫外^泉等功能。

光催化在微弱的光%泉下也能做反底若在紫外#泉的照射下光催化的活性畲加逾近来，光催化被餐舄未来走棠之一的纳米技彳桁走品。

-光催化反雁原理TiO2富吸收光能量之彳爰，僵带中的雷子就畲被激畿到^带，形成带^雷的高活性雷子e-,同畤在僵带上走生带正雷的空穴h+。

在雷埸的作用下，雷子典空穴畿生分雕，暹移到粒子表面的不同位置。

熟力孥理言禽表明，分怖在表面的h+可以将吸附在TiO2表面OH-和H2O 分子氧化成（OH.）自由基,而OH.自由基的氧化能力是水髓中存在的氧化蒯中最弓鱼的，能氧化亚分解各重有^污染物（甲醛、苯、TVOC等）和^菌及部分照檄污染物（氨、NOX 等），亚将最^降解舄CO2、H2O 等照害物鼻由於OH自由基封反废物^乎MB®性，因而在光催化中起著〉夬定性的作用。

TiO2空心球的合成及光催化降解活性研究实验方案：所有试剂：氟钛酸铵(NH4)2TiF6 尿素(NH4)2CO过氧化氢(H2O2) X3B染料初始浓度1000ppm 1.催化剂合成：（水热合成法）合成步骤：在分析天平上称取氟钛酸铵1.1876g，加入到100mL 的小烧杯中，然后加入70mL 蒸馏水，在恒定速率下磁力搅拌溶解，待完全溶解后再称取2.42g 尿素加入其中，持续搅拌10分钟，最后用塑料移液管移取10mL H2O2逐滴加入其中，完全混合均匀后，转移至100mL反应釜中，放入已设置好温度的烘箱于150°反应10h，反应结束后，关掉烘箱并让反应釜随烘箱自然冷却至室温，然后用蒸馏水、乙醇依次洗涤并自然晾干。

2.光催化活性测试1.X3B染料的配置：用移液管移取3mL初始浓度为1000ppm(即1000mg/L)的X3B溶液于50mL容量瓶中，然后用蒸馏水定容至50mL,充分混合均匀后备用。

2.催化剂吸附平衡处理：称取50mg处理好的TiO2催化剂于100mL锥形瓶中，将配置好的X3B 溶液完全转移至其中，超声分散5分钟后于黑暗环境下震荡过夜。

3.X3B降解活性测试：将震荡过夜处理后的锥形瓶中催化剂和X3B混合溶液完全倒入50mL小烧杯中，连接好降解装置后开始进行光催化降解，降解时间为1小时，在此过程中依次从溶液中移取3mL的溶液于5mL离心管中避光保存，取样时间依次为0分钟、5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、45分钟、60分钟。

待反应结束后关掉灯源，将所取溶液与离心机中在3000转/分条件下离心10分钟，然后将上层溶液小心转入另一洁净离心管重新离心5分钟，然后用紫外-可见分光光度计在510nm波长下测试吸光度，记录数据。

完成实验后用Origin处理数据并获得X3B降解浓度随时间变化曲线及降解速率常数曲线，完成实验小论文。