基本信息
- 项目名称：
- 高活性TiO2及其N掺杂光催化剂的制备及性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 项目基于氮掺杂TiO2的制备，分别研究了F改性制备高活性TiO2，并以之为基础探索了采用两步后处理法，进一步引入氮元素获得N-TiO2复合光催化剂，以及原位合成法制备掺氮TiO2的有关影响因素。
- 详细介绍：
- 采用水热合成法，成功获得了具有多级结构的锐钛矿TiO2纳米晶组装体，显示出优于P25的紫外光降解甲基橙活性；探索了以不同含氮试剂、采用两步后处理法在上述TiO2纳米晶组装体中引进氮元素，考察了液相法和固相法等掺氮工艺，发现液相法制备的N-TiO2复合光催化剂其性能优于固相法；研究了用原位合成法制备掺N-TiO2，并评价其可见光催化活性，确定了最佳的原位合成N-TiO2催化剂的氮源（尿素）和煅烧温度、时间等反应条件。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 纳米TiO2是一种很好的光催化剂，广泛用于光解水、杀菌、光催化降解有机污染物等。但受其禁带宽度限制，纳米TiO2对太阳能的利用率很低。项目基于氮掺杂TiO2的制备，分别研究了F改性制备高活性TiO2，并以之为基础探索了采用两步后处理法，进一步引入氮元素获得N-TiO2复合光催化剂，以及原位合成法制备掺氮TiO2的影响因素。
科学性、先进性及独特之处
- 关于氮掺杂TiO2粉体材料的制备有多种方法，根据掺入氮的阶段不同，可以分为过程处理和后处理。本项目成功制得了具有高紫外光降解活性的多级结构F改性TiO2锐钛矿纳米晶组装体，并系统比较了两种不同掺氮工艺（两步法和原位合成）对所制备N-TiO2复合催化剂光催化降解性能的影响，着重探讨了不同有机胺类试剂对原位合成的影响。
应用价值和现实意义
- 光催化是有望发展成为直接利用太阳光和空气中的氧降解有毒有害污染物的一项绿色污染治理新技术。TiO2具有光催化活性高、化学性质稳定，且价廉、无毒等优势，已成为最有潜力的光催化材料。但是，锐钛矿TiO2的禁带宽度为3.2eV，只能吸收紫外光作为激发源。因此，研制具有可见光活性的TiO2光催化剂，是提高太阳能利用率、推进光催化技术实用化进程的关键，已成为催化领域最重要和最具挑战性的课题。
学术论文摘要
- 研究了采用水热合成法控制制备具有多级结构的F改性锐钛矿TiO2，所得产物微观上呈现规则有序的微米球形貌，由大量具有高活性晶面的纳米板堆积而成，对模拟污染物甲基橙的紫外光降解性能大大优于商业光催化剂P25。在此基础上，进一步考察了采用“两步法”制备N掺杂F改性TiO2复合光催化剂，以及溶胶凝胶、水解沉淀等“原位合成”方法制备N掺杂TiO2复合光催化剂。对比分析了不同结构的有机、无机氮源（如乙醇胺、三乙胺、六次甲基四胺、尿素、氨水等）和制备工艺条件对二氧化钛的掺杂效果，通过XRD、SEM、TEM、紫外-可见光谱分析等手段对掺氮样品进行了表征。
获奖情况
- 相关内容尚未发表
鉴定结果
- 项目富有成效，具有创新性。
参考文献
- [1]Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facets;NATURE 2008，Vol 453，638-642 [2] 唐建军,王岳俊,邓爱华,等. N掺杂TiO2光催化剂的制备与表征[J]. 中国有色金属学报, 2007, 17 (9) : 1555 - 1560.
同类课题研究水平概述
- 近年来,由于在降解多种环境污染物所表现出来的优异能力,以及相对于其它半导体催化剂具有高稳定性、价廉、无毒、高效率等优势, TiO2 正逐渐成为最有潜力的光催化材料。1972年A. Fujishima 等人发现TiO2 光分解水以来 , TiO2 光催化降解水制氢方面的研究也倍受重视。R. Wang 等人发现TiO2的超亲水性,更是使TiO2 逐渐被用于防雾、自清洁涂层材料。在3种最常见TiO2 晶型(锐钛矿、板钛矿、金红石) 中,锐钛矿具有更好的光催化活性。但是,锐钛矿TiO2 的禁带宽度为3. 2eV ,这就要求以紫外光(λ≤387nm) 作为激发源。人工紫外光的发生需要能量消耗,且大剂量的紫外线辐射对人体也是有害的,这在一定程度上限制了TiO2 的广泛应用。到达地球表面的太阳光中紫外线只占约5 % ,而可见光则占约45 %。如果通过改变TiO2 的电子结构,以使其吸收可见光成分,则可以充分利用太阳能作为TiO2 光诱导的有效激发源,从而大大提高TiO2 在光催化降解、氢能制备、光电转换等领域实际应用的潜力。因此, TiO2 的可见光催化成为目前TiO2 光诱导特性领域的研究重点。改变TiO2 电子结构以获得可见光催化活性的常用方法是掺杂 。其中,过渡金属元素掺杂虽然可以产生显著的可见光吸收,但由于热稳定性降低、增加了电子孔穴等缺点,使其在实际应用中受到限制。2001年R. Asahi等人在TiO2 非金属元素掺杂方面的突破性工作使TiO2 可见光催化活性方面的研究大大向前迈进了一步,并使非金属元素掺杂(N、C、S、F 等) 成为目前TiO2 半导体掺杂领域研究的热点。本文详细介绍了基于N、C、S、F 掺杂的TiO2 可见光催化方面的实验和理论研究的最新进展,并探讨了TiO2 非金属元素掺杂在未来的研究方向。R. Asahi 等人根据非金属元素掺杂后TiO2 的态密度分布,发现N 是最有希望作为赋予TiO2 可见光催化活性的非金属元素。实验也证实掺氮导致TiO2 具有显著的可见光催化活性。此后,人们提出了多种制备TiO2 掺氮的方法,研究了不同制备方法下掺氮TiO2 的光催化活性。
