基本信息
- 项目名称：
- 正交法研究Ce3+掺杂纳米TiO2的制备
- 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：
- 纳米TiO2是近几年研究最热的纳米无机材料之一，在很多领域，如光催化材料，抗菌材料、环境科学等领域具有广泛的研究和应用价值。但是TiO2自身存在结构缺陷，限制了其在光催化领域的应用。本文选用稀土Ce3+元素对纳米TiO2进行掺杂改性，设计正交实验研究了Ce3+掺杂量、超声波辐射时间、烧结温度、烧结时间对产品影响，优化了制备条件，并进行了结构及光催化抗菌性能表征。
- 详细介绍：
- 纳米TiO2是近几年研究最热的纳米无机材料之一，在很多领域，如光催化材料，抗菌材料、环境科学等领域具有广泛的研究和应用价值。TiO2自身存在结构缺陷，限制了其在光催化领域的应用。将稀土元素适当地掺杂到TiO2晶体中，可以提高其光催化活性和扩大对可见光的光谱响应范围。本文选用稀土Ce对纳米TiO2进行掺杂改性，制备出纳米Ce/TiO2，采用XRD、BET、SEM对其进行结构表征，设计正交实验研究了Ce掺杂量、超声波辐射时间、烧结温度、烧结时间对晶体结构、晶粒大小、比表面积和表面形貌的影响，优化了Ce/TiO2的制备条件。本文制备出最佳条件Ce/TiO2粉体，并对其进行了结构表征、抗菌性表征。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 纳米TiO2由于其无毒、无害、化学稳定性好等诸多特点，在很多领域具有广阔的应用前景，但其存在可见光利用率低、光量子产率低的缺陷，在实际应用中收到很大限制。本文采用稀土元素铈掺杂改性纳米TiO2，并对产品进行结构及性能表征。通过正交法研究铈掺杂量、超声波辐射时间、烧结温度及时间对产品的影响，优化铈掺杂纳米TiO2的制备条件，以期能够改善纳米TiO2的光催化抗菌性能。
科学性、先进性及独特之处
- ①本文将统计学方法应用于实验，通过正交法系统地研究了超声波辐射时间、Ce3+掺杂量、烧结温度、烧结时间对纳米Ce/TiO2结构及性能的影响，优化了纳米Ce/TiO2的制备条件，确定各因素对产品影响的大小。②实验选择铈为掺杂元素，为充分利用民族地区稀土资源的利用提供一定的实验基础。③将TiO2的光催化性能与抗菌性结合，以抗菌性表征产品的光催化性能。
应用价值和现实意义
- 本文设计正交实验优化了铈掺杂纳米TiO2的最佳制备条件，系统地研究了不同条件对产品结构的影响，对Ce3+掺杂纳米TiO2的制备有一定的指导意义，在TiO2基光催化剂、抗菌剂的开发及应用方面具有一定的意义，产品生产工艺成熟后可在催化剂、陶瓷、涂料等方面得到广泛应用。
学术论文摘要
- 纳米TiO2是一种重要的半导体光催化材料，具有无毒、安全、催化活性高等优点，在高新技术材料领域具有广阔的发展前景。本文以钛酸四正丁酯为前驱，稀土Ce3+为掺杂元素，采用溶胶-凝胶法制备了稀土Ce3+掺杂纳米TiO2（纳米Ce/TiO2），得到一系列纳米级的锐钛矿Ce/TiO2粉体。通过XRD、BET、SEM等技术对其进行结构表征，借助于L9(34)正交实验研究了不同实验条件对纳米Ce/TiO2的晶型、晶粒尺寸、比表面积及表面形貌等结构特征的影响，优化了纳米Ce/TiO2的制备条件，为超声波辐射45min，稀土元素Ce3+掺杂比为0.3%，500℃烧结0.5h。最佳条件纳米Ce/TiO2为锐钛矿，具有晶粒小（19.95nm）、比表面积大（43.302m2•g-1）的特点。初步研究了Ce/TiO2的光催化抗菌性能，表明Ce3+掺杂能够改善纳米TiO2的光催化抗菌性能。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]孙俊英,孟大维,刘卫平等.稀土离子(La3+,Eu3+)掺杂纳米TiO2的光催化性能[J].稀有金属,2008,32(4):497-501. [2]黄翠英,张澜萃,李晓辉. 稀土离子掺杂对纳米TiO2光催化制氢活性的影响[J].催化学报，2008,29(2): 163-166. [3]赵斯琴,郭敏,张梅等. Eu3+离子掺杂纳米TiO2的制备及其光催化降解甲基兰溶液的研究[J]. 中国稀土学报, 2010, 28 (3) :297-301. [4]尹荔松,朱剑,闻立时等.稀土掺杂纳米TiO2光催化降解氯胺磷[J].中南大学学报（自然科学版）,2009,40(1):139-144. [5]任民,张玉军,刘素文.Y3+掺杂TiO2纳米棒的制备及光催化降解硝基苯[J].硅酸盐通报.2006, 25(4):156-158. [6]侯梅芳,李芳柏,李瑞丰等.钕掺杂提高TiO2光催化活性的机制[J].中国稀土学报, 2004,22(1):75- 80. [7]张霞,赵岩,张彩碚等.有机分子控制下TiO2纳米材料的制备及光催化性能研究[J].功能材料, 2003, 34 (4) :436-438.
同类课题研究水平概述
- 纳米TiO2因具有粒径小、比表面积大、表面晶格缺陷度大、表面能高、光催化性能高高的特点，逐渐成为半导体光催化材料中的研究热点，在很多领域，如光催化材料/抗菌材料、有机污染物降解等，具有广泛的研究和应用价值。 然而，纯纳米TiO2存在光催化剂载流子复合率高、量子产率低、吸收光源主要在紫外区(λ≤387nm)、对可见光的利用率较低等缺陷，限制了TiO2的实际工业应用。为了提高其光催化活性和对可见光的利用率，许多研究者对纳米TiO2进行掺杂改性研究。纳米TiO2改性方法有稀土离子掺杂、半导体复合、表面光敏化和表面螯合及衍生作用等。众多的改性方法中，稀土离子掺杂是最常被采用且有效显著。稀土离子掺杂能够抑制电子与空穴的复合，且是TiO2的吸收带红移，提高光催化活性，扩展纳米TiO2的应用领域。 目前关于稀土掺杂纳米TiO2的制备及催化性能研究较多，尤其在有机污染物的降解方面，在抗菌材料领域也有研究，但相对较少。已有关于各种因素影响稀土掺杂纳米TiO2结构和性质的研究，如合成方法、稀土掺杂量、pH值、抑制剂的种类和浓度、烧结温度、烧结时间等。但已有的文献大多通过控制变量法研究某单一因素对产品的影响。例如，控制其它实验条件相同，设置一系列温度梯度，研究温度对稀土掺杂纳米TiO2结构或性能的影响。而采用正交法进行系统性研究的文献极少，关于不同因素之间影响的主次关系的研究也鲜见报道，不利于在实际生产中把握主要影响的因素。 稀土元素在纳米TiO2中的分散程度对产品的结构及性能也会有很大的影响，因而在一些研究中采用超声波技术促进稀土元素在溶胶中的分散。超声波辐射在加快稀土元素的分散的同时，还能够抑制纳米TiO2晶粒的团聚，因而超声波辐射条件对产品的结构及性能会有一定的影响。然而关于超声波辐射的强度、频率、时间等因素对铈掺杂的TiO2（ Ce/TiO2）结构及性能的影响方面的研究却鲜有报道。 本文将统计学方法应用于实验，通过正交法系统地研究了超声波辐射时间、Ce3+掺杂量、烧结温度和时间对Ce3+掺杂纳米TiO2（ Ce/TiO2）结构及性能的影响，优化了制备条件，确定各影响因素的主次关系。选择铈为掺杂元素，为民族地区稀土资源的开发及利用提供一定的实验基础。将TiO2的光催化性能与抗菌性结合，以抗菌性表征产品的光催化性能。
