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基本信息

項(xiàng)目名稱：
高活性TiO2及其N摻雜光催化劑的制備及性能研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
項(xiàng)目基于氮摻雜TiO2的制備，分別研究了F改性制備高活性TiO2，并以之為基礎(chǔ)探索了采用兩步后處理法，進(jìn)一步引入氮元素獲得N-TiO2復(fù)合光催化劑，以及原位合成法制備摻氮TiO2的有關(guān)影響因素。
詳細(xì)介紹：
采用水熱合成法，成功獲得了具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的銳鈦礦TiO2納米晶組裝體，顯示出優(yōu)于P25的紫外光降解甲基橙活性；探索了以不同含氮試劑、采用兩步后處理法在上述TiO2納米晶組裝體中引進(jìn)氮元素，考察了液相法和固相法等摻氮工藝，發(fā)現(xiàn)液相法制備的N-TiO2復(fù)合光催化劑其性能優(yōu)于固相法；研究了用原位合成法制備摻N-TiO2，并評(píng)價(jià)其可見(jiàn)光催化活性，確定了最佳的原位合成N-TiO2催化劑的氮源（尿素）和煅燒溫度、時(shí)間等反應(yīng)條件。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

納米TiO2是一種很好的光催化劑，廣泛用于光解水、殺菌、光催化降解有機(jī)污染物等。但受其禁帶寬度限制，納米TiO2對(duì)太陽(yáng)能的利用率很低。項(xiàng)目基于氮摻雜TiO2的制備，分別研究了F改性制備高活性TiO2，并以之為基礎(chǔ)探索了采用兩步后處理法，進(jìn)一步引入氮元素獲得N-TiO2復(fù)合光催化劑，以及原位合成法制備摻氮TiO2的影響因素。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

關(guān)于氮摻雜TiO2粉體材料的制備有多種方法，根據(jù)摻入氮的階段不同，可以分為過(guò)程處理和后處理。本項(xiàng)目成功制得了具有高紫外光降解活性的多級(jí)結(jié)構(gòu)F改性TiO2銳鈦礦納米晶組裝體，并系統(tǒng)比較了兩種不同摻氮工藝（兩步法和原位合成）對(duì)所制備N-TiO2復(fù)合催化劑光催化降解性能的影響，著重探討了不同有機(jī)胺類試劑對(duì)原位合成的影響。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

光催化是有望發(fā)展成為直接利用太陽(yáng)光和空氣中的氧降解有毒有害污染物的一項(xiàng)綠色污染治理新技術(shù)。TiO2具有光催化活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且價(jià)廉、無(wú)毒等優(yōu)勢(shì)，已成為最有潛力的光催化材料。但是，銳鈦礦TiO2的禁帶寬度為3.2eV，只能吸收紫外光作為激發(fā)源。因此，研制具有可見(jiàn)光活性的TiO2光催化劑，是提高太陽(yáng)能利用率、推進(jìn)光催化技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵，已成為催化領(lǐng)域最重要和最具挑戰(zhàn)性的課題。

學(xué)術(shù)論文摘要

研究了采用水熱合成法控制制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的F改性銳鈦礦TiO2，所得產(chǎn)物微觀上呈現(xiàn)規(guī)則有序的微米球形貌，由大量具有高活性晶面的納米板堆積而成，對(duì)模擬污染物甲基橙的紫外光降解性能大大優(yōu)于商業(yè)光催化劑P25。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了采用“兩步法”制備N摻雜F改性TiO2復(fù)合光催化劑，以及溶膠凝膠、水解沉淀等“原位合成”方法制備N摻雜TiO2復(fù)合光催化劑。對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)、無(wú)機(jī)氮源（如乙醇胺、三乙胺、六次甲基四胺、尿素、氨水等）和制備工藝條件對(duì)二氧化鈦的摻雜效果，通過(guò)XRD、SEM、TEM、紫外-可見(jiàn)光譜分析等手段對(duì)摻氮樣品進(jìn)行了表征。

獲獎(jiǎng)情況

相關(guān)內(nèi)容尚未發(fā)表

鑒定結(jié)果

項(xiàng)目富有成效，具有創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)

[1]Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facets;NATURE 2008，Vol 453，638-642 [2] 唐建軍,王岳俊,鄧愛(ài)華,等. N摻雜TiO2光催化劑的制備與表征[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2007, 17 (9) : 1555 - 1560.

同類課題研究水平概述

近年來(lái),由于在降解多種環(huán)境污染物所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異能力,以及相對(duì)于其它半導(dǎo)體催化劑具有高穩(wěn)定性、價(jià)廉、無(wú)毒、高效率等優(yōu)勢(shì), TiO2 正逐漸成為最有潛力的光催化材料。1972年A. Fujishima 等人發(fā)現(xiàn)TiO2 光分解水以來(lái) , TiO2 光催化降解水制氫方面的研究也倍受重視。R. Wang 等人發(fā)現(xiàn)TiO2的超親水性,更是使TiO2 逐漸被用于防霧、自清潔涂層材料。在3種最常見(jiàn)TiO2 晶型(銳鈦礦、板鈦礦、金紅石) 中,銳鈦礦具有更好的光催化活性。但是,銳鈦礦TiO2 的禁帶寬度為3. 2eV ,這就要求以紫外光(λ≤387nm) 作為激發(fā)源。人工紫外光的發(fā)生需要能量消耗,且大劑量的紫外線輻射對(duì)人體也是有害的,這在一定程度上限制了TiO2 的廣泛應(yīng)用。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光中紫外線只占約5 % ,而可見(jiàn)光則占約45 %。如果通過(guò)改變TiO2 的電子結(jié)構(gòu),以使其吸收可見(jiàn)光成分,則可以充分利用太陽(yáng)能作為TiO2 光誘導(dǎo)的有效激發(fā)源,從而大大提高TiO2 在光催化降解、氫能制備、光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的潛力。因此, TiO2 的可見(jiàn)光催化成為目前TiO2 光誘導(dǎo)特性領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。改變TiO2 電子結(jié)構(gòu)以獲得可見(jiàn)光催化活性的常用方法是摻雜 。其中,過(guò)渡金屬元素?fù)诫s雖然可以產(chǎn)生顯著的可見(jiàn)光吸收,但由于熱穩(wěn)定性降低、增加了電子孔穴等缺點(diǎn),使其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。2001年R. Asahi等人在TiO2 非金屬元素?fù)诫s方面的突破性工作使TiO2 可見(jiàn)光催化活性方面的研究大大向前邁進(jìn)了一步,并使非金屬元素?fù)诫s(N、C、S、F 等) 成為目前TiO2 半導(dǎo)體摻雜領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了基于N、C、S、F 摻雜的TiO2 可見(jiàn)光催化方面的實(shí)驗(yàn)和理論研究的最新進(jìn)展,并探討了TiO2 非金屬元素?fù)诫s在未來(lái)的研究方向。R. Asahi 等人根據(jù)非金屬元素?fù)诫s后TiO2 的態(tài)密度分布,發(fā)現(xiàn)N 是最有希望作為賦予TiO2 可見(jiàn)光催化活性的非金屬元素。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)摻氮導(dǎo)致TiO2 具有顯著的可見(jiàn)光催化活性。此后,人們提出了多種制備TiO2 摻氮的方法,研究了不同制備方法下?lián)降猅iO2 的光催化活性。
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