铁掺杂二氧化钛的制备及其光催化降解有机物的性能研究

铁掺杂二氧化钛的制备及其光催化降解有机物的性能研究

郭庆杰 王俏俏 张晓雨

内蒙古科技大学材料与冶金学院

摘要：本论文为了研究掺铁二氧化钛颗粒的制备及其光催化性能对有机物的降解性能，使用了溶胶-凝胶法制备了掺铁二氧化钛颗粒，然后将掺铁二氧化钛依次通过X-射线衍射仪(XRD)，扫描电镜（SEM）和傅立叶红外光谱仪(FT-IR)进行表征来观察了解样品的结构和形貌以及样品的化学性质，并且用粒径检测仪测定它的粒径分布。最后以光催化降解硝基苯实验为探究对象，对掺铁二氧化钛的光催化性能进行评价。结果表明：经过铁掺杂改性的二氧化钛光催化活性比没有经过改性的二氧化钛得到明显提高。

关键词：二氧化钛；掺杂；铁；光催化

1、

社会的进步改善了人们的生活条件，但凡事有利有弊，科学虽然很先进，而且还在不断发展，但是环境污染和能源危机也日益严重。所以，现在人们为了弥补对环境造成的破坏，倡导保护环境并进行了大量环保方面的研究。而半导体光催化技术在对一些难易降解的且对环境有害的物质能起到有效地降解作用[1]，使得这一技术受到了科研人员们额重视。在这之中，尤其以TiO2为首的一系列光催化材料也受到重视以及对TiO2的广泛研究。

TiO2本身有着化学活性高，化学稳定性好，清洁无毒，成本低等优点，这使得TiO2光催化技术方面有着很好的前景，但TiO2也有局限性，TiO2的禁带限制了自身的光催化活性，TiO2的禁带在半导体禁带宽度中显得比较宽，导致了TiO2只能吸收太阳光的很小一部分。所以严重阻碍了人们对TiO2的使用机会。此外，TiO2的电子-空穴极易复合[4]，因此TiO2的光催化性能受到了不利的影响。所以，为了减小其禁带宽度，提高其对光的吸收率至可见光区而对TiO2进行改性。

铁掺杂TiO2的制备方法[5]中人们最常用的方法是溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法的优点在于它的反应是在分子间进行各组分的混合，并且反应条件温和不需要加温，这样也不会出现杂相的缺点，得到比较高纯度的产物，得到的产物的还有粒径小，均匀性高的优点[6]。并且反应过程便捷且易于控制，一些用传统方法难以得到的产物也可使使用此方法得到。所以这些优点使得溶胶—凝胶法得到人们的重视。

2. 提高纳米Ti0的光催化活性的途径1.3.2.1降低TiOz的禁带宽度

1. 掺杂过渡金属

在半导体中掺杂不同价态的金属离子后，半导体的催化性质发生改变，它不仪可能加强半导体的光催化作用，还可能将半导体的吸收波长范围扩展至可见光区域。从化学观点看，金属离子掺杂可能在半导体品格中引入了缺陷位置或改变结晶度，成为电子或空穴的陷阱而延长寿命:Anita Rachel[S以还原氯仿和四氯化碳为模型，研究了21种金属离子对TiOz光催化活性的影响，结果表明Fe3、Mo+、Re*、Ru"、v*+、Rh*等能提高材料光催化活性，以Fe*效果最佳。向时，具有闭壳层电子构型的金属，如 Li*、 AP、Mg'、Zn、Ga*、Nb3、Sn**等则对光催化活性的影响较小。但掺杂浓度存在最佳值，小于最佳浓度时，半导体中没有足够俘获载流子的陷阱:当大于最佳浓度时，由于随掺杂物数量的增加，陷阱之间的平均距离降低,所以光催化活性都会下降。另外，只有一些特定的金属离子的掺杂有利于提高光量子效率，而其他金属离子的掺杂是有害的。如TiO:中掺杂Cr不利于光催化反应。

3、纳米二氧化钛粒子

纳米二氧化钛，也叫钛白粉。其直径为100nm以下，产品外观为白色松散粉末[7-8]。目前，在自然社会中，纳米二氧化钛有两种存在形式，分别是锐钛型，金红石型。两者从外观上看来相差不大,从性质上来看后一种二氧化钛比前一种二氧化钛稳定[9]。比如说密度和硬度这些性质就以金红石型比较突出，当然还有着色力这方面也是金红石型较为优秀，在对紫外线的吸收能力方面金红石型相对要高,而在光的短波部分锐钛型二氧化钛相对要高,光催化活性方面则是锐钛型二氧化钛较高.在800℃-1000℃条件下锐钛型可向金红石型转化.纳米二氧化钛具有很高的化学稳定性,热稳定性,无毒性,清洁廉价等优点,此外它还有功能强大的光学性质等[10],所以纳米二氧化钛在许多领域都受到重用。

而纳米二氧化钛的主要功能有着如下几点.

1）杀菌功能:纳米二氧化钛在紫外线条件下可进行长久有效地杀菌作用

2）防紫外线功能:纳米二氧化钛本身不仅能吸收紫外线,还能对紫外线进行反射和散射,并且可以通过可见光,是性能优越的防紫外线材料.

3）光催化功能:纳米二氧化钛在紫外线的作用下能够对一些有机物和无机物发挥催化以及光解的作用，可以用来净化室内空气

4）自清洁功能:纳米二氧化钛在一定条件下会有超亲水性和超永久性,所以可以进行自清洁,自防雾功能.

5）可做电池原料[13-14]:纳米二氧化钛具有良好的导电性,高倍率性能和循环稳定性,快速充放电性能,光电转换率高,成本廉价,较高的容量以及性能稳定的特点,使得纳米二氧化钛在锂电池,化学能太阳能电池,镍铬电池中有良好的应用前景。

还有一些其他功能,比如说纳米二氧化钛还可代替PVA.制作浆料,纤维原料,涂料,粘合剂等;纳米二氧化钛在对一些难以降解的材料也具有很好的降解效果,而且还有发现,二氧化钛对有害气体也能够吸收,比如人行道上喷洒的二氧化钛油漆可以吸收空气中的有毒气体和二氧化氮，能显著降低有毒气体含量[15]。总体而言,纳米二氧化钛有着良好的发展空间的应用前景.对它的研究和合适的利用会继续改善人们的生活。

4、制备铁掺杂二氧化钛的方法

其中物理法又称机械粉碎法，对设备要求太高。而在化学法中一般被使用的方法就是液相法里面的溶胶-凝胶法,水解法,水热法,微乳液法等等。

1）溶胶凝胶法:制备氧化物薄膜最常用的方法就是溶胶凝胶法,在薄膜制备方法里面溶胶凝胶法是被人们认为是目前很有前途的方法之一。溶胶-凝胶法一般以含高化学活性结构的化合物(无机盐或金属醇盐)作为前驱体,其主要反应步骤是先将反应物混合均匀。使之凝胶，然后经过陈化，烘干，煅烧处理得到产物粉末[20]。

2）水解沉淀法:在可溶性盐溶液中加入沉淀剂或高温下使溶液发生水解，将沉淀或水解的产物经过煅烧即可得到所需制备材料。

3）水热法:流体中水或水蒸气在高温高压下进行的化学反应就叫水热法，也叫高温水解法。

4）微乳液法:微乳液法是两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液,然后在微泡中经过成核,聚结,团聚,热处理后得到所需材料。

结论：

从以上结果就可以看出二氧化钛在经过铁掺杂改性后成功的去掉了禁带宽度较宽以及电子空穴极易复合的缺点，当着些缺点经过改性去除掉后。掺铁二氧化钛的光催化活性得到了提高，与纳米二氧化钛相比光催化活性更强。并且对有机物有一定的降解作用，但是经过试验发现不是催化剂用量多降解速率就一定大，降解速率与试验中的2个变量关系都类似于反函数关系，有一个最佳值。

参考文献

[1]段萍,罗玉萍,肖斌,等,铁掺杂二氧化钛光催化性剂的性能研究［J］.材料导报.2013,13(5):177-179.

[2]XinR,LinY,CaiB,HuB.PreparationandanalysisofnoncrystallineAnastasiaphaseTiO2thinfilms[J].ChineseJournalofRareMetals,2011,35(2):253-258.

[3]杨国荣,周亮.铁离子掺杂纳米二氧化钛的制备与表征［J］.合成材料老化与应用,2015,44（3）:258-284.

[4]张一兵,周天祥,江雷.掺Fe离子的A-TiO2的水热法制备及光催化性能研究［J］.料导报,2010,24(12):56-58.

[5]张一兵,汪华丽,谈军.铁掺杂二氧化钛光催化降解硝基苯的动力学研究［J］.硅酸盐通报.2011,30(6):125-129.

作者姓名：郭庆杰；性别：男；出生年月：1999年10月；民族：汉；籍贯：河南省焦作市；学历：本科；职称：无；研究方向：铁掺杂二氧化钛的制备及其光催化降解有机物的性能研究 ；单位名称：内蒙古科技大学材料与冶金学院 地址：内蒙古自治区包头市昆都仑区阿尔丁大街7号内蒙古科技大学               
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