具有高效可見光催化活性的氮摻雜二氧化鈦的制備及活性起源的研究.pdf

1、隨著全球能源消費(fèi)的不斷增加和環(huán)境污染的日益加劇，能夠充分利用太陽光的高效光催化劑受到了人們的廣泛關(guān)注。非金屬氮摻雜的二氧化鈦因具有較強(qiáng)的可見光催化活性而被譽(yù)為第二代光催化劑。然而，人們迄今并未就氮摻雜二氧化鈦可見光活性的內(nèi)在本質(zhì)達(dá)成共識(shí)；針對(duì)其可見光活性影響因素的研究以及提高其可見光催化活性途徑的研究均有待于深入。鑒于此，本文作者以納米管鈦酸為原料制備了具有較強(qiáng)可見光催化活性的氮摻雜二氧化鈦，并利用熒光光譜儀、紫外-可見-近紅外擴(kuò)散反射

2、譜儀(UV-Vis-NIR DRS)、電子自旋共振譜儀（ESR）及X射線光電子能譜儀（XPS）深入探討了氮摻雜二氧化鈦產(chǎn)生可見光活性的機(jī)制，取得了如下主要研究結(jié)果和結(jié)論：
　　 1.通過在氨氣氣氛中不同溫度下處理納米管鈦酸(記為NTA)和P25 二氧化鈦，分別制得了具有可見光催化活性的氮摻雜二氧化鈦N-NTA(400-700)和N-P25系列催化劑，利用丙烯光催化降解反應(yīng)評(píng)價(jià)了催化劑的活性，并利用ESR和XPS分析了催化劑的結(jié)構(gòu)

3、。結(jié)果表明，N-NTA系列催化劑的活性遠(yuǎn)比N-P25系列催化劑的高。這是由于N-NTA系列催化劑含有大量束縛單電子的氧空位缺陷(Vo?)，而以NO 形式摻雜的氮元素對(duì)氮摻雜二氧化鈦可見光催化活性起促進(jìn)作用所致?？傮w而言，N-NTA的可見光催化活性源于子能帶和氮摻雜導(dǎo)致的表面電子陷阱的形成。
　　 2.在空氣氣氛中處理NTA 得到含有氧空位的二氧化鈦（記為A-NTA-400）；對(duì)比分析了N-NTA-400和A-NTA-400 樣品

4、在可見光和紫外光激發(fā)下的熒光光譜。結(jié)果表明，N-NTA-400 樣品除了體相含有大量的束縛單電子的氧空位外，表面還存在被氮元素穩(wěn)定的電子俘獲陷阱；而A-NTA-400 樣品僅體相含有氧空位缺陷，表面無俘獲電子的物種。根據(jù)N-NTA-400 樣品的熒光光譜和吸收光譜數(shù)據(jù)可以推測(cè)確定，其禁帶內(nèi)子能帶的帶底與價(jià)帶頂相距1.87 eV，子能帶的帶頂與導(dǎo)帶底相距0.95 eV；在可見光激發(fā)下，子能帶上的電子先躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的電子繼而再躍遷到子能

5、帶。表面被氮穩(wěn)定的缺陷能夠捕獲導(dǎo)帶電子，從而誘發(fā)光催化反應(yīng)。
　　 3.在空氣氣氛中600℃處理NTA 得到含有大量穩(wěn)定氧空位的新型TiO2(A)，再將新型TiO2(A)在氨氣氣氛中600℃處理得到N-摻雜新型TiO2(A)，評(píng)價(jià)了這兩種樣品光催化降解丙烯的活性。結(jié)果表明：新型TiO2(A)和N-摻雜新型TiO2(A)都具有紫外光催化活性；但前者對(duì)可見光呈惰性，而后者對(duì)丙烯具有可見光催化活性。對(duì)比分析暗態(tài)和可見光照下催化劑的ES

6、R 結(jié)果可知，N-摻雜新型TiO2(A)表面具有穩(wěn)定的未束縛電子的氧空位(Vo??)，可以捕獲可見光生電子，有利于光催化反應(yīng)；N-NTA系列催化劑可見光照下的ESR 結(jié)果表明催化劑表面可捕獲電子的Vo??濃度越高，其可見光催化活性越高。新型TiO2(A)和A-NTA-400表面都沒有電子俘獲陷阱，因而無可見光催化活性；兩種氮摻雜二氧化鈦的可見光催化活性均源于兩種氧空位的共同作用，摻雜的氮元素主要起穩(wěn)定表面氧空位的作用。
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7、.以NTA和H2PtCl6 為原料，通過退火處理制得了含有氧空位的表面擔(dān)載金屬鉑的Pt/TiO2-x系列可見光催化劑，分別考察了氧空位和擔(dān)載Pt 對(duì)其室溫下的可見光催化活性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)鉑的擔(dān)載量為3％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，Pt/TiO2-x催化劑的可見光催化活性最高；反應(yīng)溫度對(duì)其催化活性具有顯著影響，其對(duì)丙烯的降解率和生成CO2的選擇率均隨著溫度升高而明顯增大。動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,3％ Pt/TiO2-X樣品可見光催化降解丙烯的