论文部分内容阅读
目前,由于人们对环境的过度开发,致使环境污染及能源短缺越来越严重地威胁到我国可持续发展战略的实施。为解决这牵扯到亿万人民福祉的问题,广大科研工作者开展了各种各样的工作。利用太阳光催化氧化污染物以达到治理环境污染的方法具有降解速率快、无二次污染、能量来源丰富等优点,从而引起了人们极大的兴趣。在众多的半导体氧化物中,TiO2由于具有强氧化性、无毒、化学稳定性好等优点在治理环境污染方面展现出了广阔的应用前景。可是,TiO2作为光催化剂一方面禁带宽度比较大,约3.2 eV,只能吸收占太阳光3%-4%的紫外光,另一方面TiO2光生电子-空穴的复合几率也比较大,致使其不能有效地利用吸收的能量,严重地阻碍了TiO2在光催化领域中的应用。本文通过焙烧纳米管钛酸（NTA）及尿素的混合物制备出来了氮掺杂的纳米二氧化钛（N-TiO2-U）。X射线电子衍射（XRD）及透射电子显微镜（TEM）显示样品在300℃-600℃呈现出管状锐钛矿二氧化钛结构,但700℃焙烧样品已有金红石型存在且峰强已基本和锐钛矿相同。紫外可见吸收光谱（UV-Vis）表明500℃焙烧样品对UV-Vis光的吸收能力最强,NTA能直接塌陷为二氧化钛能形成大量束缚单电子的氧空位,其反应方程式为: H2Ti2O5·H2O+ x NH3→（NH4）xH2-xTi2O5·H2O +（x -1）H2O （ 0≦x≦2 ,100℃） （NH4）xH2-xTi2O5·H2O→TiO2-xNy+ （x-y） NH3 + n H2O+ mVo·（0≦y≦x,>150℃）造成其UV-Vis吸收能力较好,但强的UV-Vis光吸收能力并没有转化为高的光催化活性,其原因还有待于进一步研究。将NTA和碳酸氢铵机械混合后通过不同温度的焙烧,得到了光催化活性很高的纳米氮掺杂二氧化钛（N-TiO2-A）。X-射线衍射（XRD）及高分辨电子显微镜（TEM）表明样品在温度小于400℃时处于管状无定形形态,400℃-600℃是管状锐钛矿TiO2,当温度达到700℃时样品已经变成颗粒,且有少量金红石相生成。X射线光电子能谱（XPS）分析发现N形成了Ti-N-O键进入TiO2晶格内部,N的掺杂可以抑制高温下TiO2的相转化,并且在升温过程中形成了中间体钛酸铵（NH4）2Ti2O4（OH）2,使N元素更均匀地分散在TiO2晶格内,同时产生更多的氧空位,因此样品对UV-Vis光的吸收能力较强。而中间体（NH4）2Ti2O4（OH）2亦使得到的样品在500℃时能保持较好的管状结构,具有较大的比表面积,对光响应最好且氧空位浓度合适,造成了其光催化活性比不掺杂N的样品提高了近30%。通过比较两种N源的掺杂过程及光催化性能,我们发现以碳酸氢铵为N源时催化剂的光催化活性更好。UV-Vis吸收光谱发现以尿素为N源的样品在400-500 nm处吸收更强,这是由于NTA坍塌成TiO2时能形成更多的氧空位,致使其UV-Vis吸收明显好很多,但强的UV-Vis光吸收能力并没有转化为高的光催化活性。另外,由于中间体（NH4）2Ti2O4（OH）2不仅具有固氮的作用,同时能缓慢的释放出N元素,促其分散更均匀,同时有利于保持样品的管状形貌、形成更好的锐钛矿晶型,因此造成了其光催化降解甲基橙的活性比较高。