掺氮二氧化钛的制备.docVIP

掺氮二氧化钛的制备、表征及可将光下的催化活性 摘要：二氧化钛多晶体粉末是通过煅烧二氧化钛和氨的水解产物生成的。可见光下，在400度煅烧的锐钛矿相掺氮二氧化钛粉末催化苯酚分解的催化效率是Degussa P25的2.7倍。所有的样品都有介孔结构。X射线光电子能谱证实，400度条件下煅烧生成的锐钛矿相二氧化钛粉末中有少量氮原子作为氧原子的替代原子存在。UV-Vis和EPR分析表明，在掺氮二氧化钛粉末形成的过程中产生了氧空位。取代的氮原子、氧空位、很大的BET表面积和介孔结构被认为是掺氮二氧化钛呈现很大活性的重要原因。 关键词：光催化剂；可见光；掺氮二氧化钛；苯酚 1 前言 1972年，在二氧化钛电极上光辅助水分解成氢气和氧气被发现[1]。之后，二氧化钛半导体光催化技术得到了很多的关注和广泛的研究，他们的最终目的是有效的把太阳能转化为有用的化学能[2-9]。干净，安全，丰富的太阳能的有效利用将会不仅对自然能源的枯竭，而且对很多环境污染造成的问题提出很多有效的解决方案。二氧化钛半导体催化剂在紫外(UV)光照射下有可能氧化广泛的有机化合物成无害的化合物如二氧化碳和水[10-15]，能氧化的有机物包括氯代有机化合物,如三氯乙烯。然而,二氧化钛半导体有相对较大的带隙3.2 eV,对应波长较短于388nm。换句话说,二氧化钛本身只可以使用到达地球的太阳能能量3%-4%,以其作为光催化剂必须使用一个紫外光源。从这个角度来看, 在两种紫外线和可见光照射下，如果二氧化钛催化剂都可以有效地使用，将会是实用的和广泛使用的理想催化剂。因此, 在边界光催化剂的研究前沿，改性二氧化钛可见光敏感性的研究是当前热点之一。在过去的研究中,研究掺杂各种过渡金属[16-21]已广泛用来扩展光吸收范围的可见区域。Iwasaki等[16]通过溶胶-凝胶法制备用Co2+代替Ti4+晶格的位置的二氧化钛。他们观察到，可见光线照射下，纳米TiO2掺杂CO2+离子的光催化活性很高，他们还认为可见光线照射下的光催化活性强烈依赖于掺杂钴离子的价态和它的浓度，而不是比表面积和锐钛矿相的结晶性。除了少数情况下 [17.18] ，在紫外光区域掺杂阳离子Ti02光催化活性下降。这是由于掺杂氧化物遭受热不稳定或增加载体复合中心[19-21]。 近日，据报道可见光下薄膜和粉末的N掺杂TiO2具有光催化活性[22-25]。Asahi等在一个N2(40%)/Ar气体混合物中，通过溅射Tio2靶用氮取代二氧化钛中的氧。他们认为是由于N的2p轨道和O的2p轨道杂化而使禁带宽度减小，因而响应可见光灵敏度[22]。Morikawa等人报道了N掺杂TiO2是通过氧化焙烧TiN粉末制备的，并得出结论掺N的吸收边缘转移到较低的能量和增加在可见光区域的光反应性[23]。Sakatani等使用TiCI3溶液和氨水水解合成氮掺杂二氧化钛粉末,还报道了在可见光下粉状光触媒光催化分解乙醛成C02[24]。 他们相信N原子(或离子)通过问隙取代而响应可见光的。Ihara等还通过Ti（SO4）2溶液和氨水溶液的水解制备了一种对可将光敏感的Ti02催化剂。他们发现在使用蓝色发光二极管作为光源的条件下，36小时内 540 ppm的丙酮被分解了并产生了一定化学计量的二氧化碳。因此他们得出结论，氧空位起着关键的作用。[25]。 本研究考虑采用简单的方式制备具有高可见光活性的氮掺杂二氧化钛粉末。在可见光下，水溶液中n型掺杂的二氧化钛粉末比Degussa P-25显示更强的对可见光的吸收和更高对苯酚的降解作用。这里,我们研究了n掺杂Ti02可见光催化活性出现的原因。这项工作可能对通过氮掺杂到Ti02晶格来增强光催化活性的机制提供了新的见解和认识。 2 实验部分 2.1 光催化剂的合成 于室温下将lOml25％的氨水滴加到20mlTi(OBu)4中，同时剧烈搅拌来完成水解。持续搅拌10分钟后，将前驱体在烤箱中120 C干燥半小时。最后，将二氧化钛前驱体在不同的温度下煅烧一小时得到不同的二氧化钛纳米微粒。粉末样品的颜色随着煅烧温度的不同从白色到灰色再到褐色。400度下褐色的催化剂能强烈吸收可见光。钛酸丁酯和氨水是在中国上海试剂公司购买的。商业二氧化钛（Degussa P-25）是在德国Degussa公司购买的。 2.2 催化剂的表征 使用Cu Ka作为X射线源，GADDS作为发射器，布鲁克AXS D8作为检测器，得到的X射线衍射图谱用来确定微晶尺寸和类型。加速电压和所施加的电流分别为35千伏和20毫安。 在校正仪器的谱线宽度后，用全宽度半最大值（FWHM）的各相的数据根据谢勒公式来确定锐钛矿和金红石的平均晶粒尺寸。用扫描电子显微镜(SEM)(LEO 1550 VP，Germany)观察到的颗粒的大小和形状。使用麦克ASAP2010氮吸附装置