钒掺杂TiO2光催化材料研究.ppt

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钒掺杂TiO2光催化材料的制备及性能研究,云南大学物理科学技术学院材料科学与工程系,主要内容,研究现状TiO2光催化剂的优点和不足常用的改性方法及不足论文课题的提出依据论文工作粉体和薄膜的制备方法正交试验物理性能光催化性能及亲水性能,1972年Fujishima和Honda首先报道了用二氧化钛作为光催化剂分解水制备氢气1。

当时正值能源危机，利用太阳能制备氢气缓解能源危机有重大的实用意义，立即引起了学术界的广泛关注。

1977年Bard用二氧化钛作为光催化剂氧化CN-为OCN-，开创了用光催化剂处理污水的先河2,3。

半导体的光催化机理,TiO2的优点,WO3、TiO2、ZnS、ZnO、Fe2O3等

（1）金属硫化物在水溶液中不稳定，会发生阳极光腐蚀，且有毒;

（2）铁的氧化物会发生阴极光腐蚀;（3）ZnO在水中不稳定，会在粒子表面生成Zn（OH）2.光催化活性高，化学性质稳定，无毒；处理速度快，降解没有选择性，设备简单，操作方便，无二次污染，处理效果好等特点；廉价，原料来源丰富。

光催化技术应用领域,污染治理废水处理和空气净化抗菌光催化杀菌自清洁自清洁和防雾制备氢气提供无污染、高效的、无害的清洁能源,TiO2光催化剂存在的不足,禁带宽度较大，Eg=3.2eV，主要对紫外光（波长小于387nm）有响应。

光生电子空穴对寿命短、光催化效率低。

紫外光占的太阳光不足5,普遍的改性方法,计算模型,结构优化,电子结构能带结构,电子结构态密度,电子结构,论文课题的提出依据,图1掺钒TiO2的总态密度（DOS）图2掺钒TiO2的动量投影态密度图（PDOS）,金属的原子半径,钒和钛的原子半径和离子半径相近，Ti4+为68，V4+为60。

这样有利于钒离子掺入到TiO2晶格中，形成置换式固溶体。

目前利用钒改性的研究情况,2008，在CatalysisCommunications期刊上，最新报导的De-EnGu等的研究结果：

掺杂钒离子后TiO2的光谱吸收阈值波长红移到426nm左右；2006，管晶等通过溶胶凝胶法制备的掺钒/TiO2粉体，在30W荧光灯下照射3h后对甲基橙的降解率最高达到77%。

粉体和薄膜的制备,1方法:

溶胶-凝胶法（sol-gel）2、工艺过程：

正交试验法,因素水平表：

结果：

1）按设计结果进行了16组实验，均用水相法；2）钒的摩尔份数均为2.44%;3）光催化降解实验取了六次样品，共光照5小时,最大降解率为88.2%；4）以下降解率均取日光灯（波长范围为400640nm）光照2小时结果。

实验设计及结果,分析,1）各因素对降解率的影响煅烧温度；制备温度、pH值；反应液浓度2）各因素取什么水平好呢？

即煅烧温度为300，pH值为1.5，制备温度为60，反应液浓度为80ml。

3）什么是较好的生产条件？

即煅烧温度为300，pH值为1.5，制备温度为60，反应液浓度为80ml。

DSC-TGA分析,图1纯TiO2粉体的DSC-TGA曲线,图2掺钒TiO2粉体的DSC-TGA曲线,XRD分析,图1图2,XRD分析,图1,图2,不同掺钒量对晶面间距的影响,依据理论原子之间作用力越强，晶面上原子排布越密集，晶格发生畸变，因而晶面间距增大。

XPS分析,464.81eV峰为Ti2p1/2峰，458.99峰为Ti2p3/2峰，与纯TiO2中Ti2p1/2（结合能为464.2eV）与Ti2p3/2（结合能为458.5eV），结合能有一定的增加；V5+离子与Ti4+离子相比具有更大的氧化价态原子氧化态的增加引起价电子密度的变化，改变了对内层电子的屏蔽效应，导致内层电子结合能的增加。

O1s高分辨的谱峰,V5+的强吸引作用，电子云有偏向掺杂金属离子的倾向，导致氧离子的电子云密度减小，结合能增大；桥氧和羟基的含量增加，有利于提高亲水性和光催化性。

FT-IR分析,1384cm-1左右处出现一个新的吸收峰，可能是亚甲基-CH2键形成的峰；Ti-O的伸缩振动峰，向高波数方向移动；诱导效应：

由于吸电子基团的取代，会使被取代基团周围电子云密度降低，导致吸收峰向高频方向移动,Raman分析,860cm-1处出现一个新的吸收峰，V-O-V的峰位一般在900-940cm-1的位置；根据化学键键强越弱，化学键的振动频率越小，吸收峰将出现在低波数区。

所以，出现在860cm-1位置的新峰可能为V-O-Ti键形成的峰。

UV-Vis分析,有效带隙减小；V5+比Ti4+具有更高的正电荷和更小的半径，V对O有较强的极化效应。

PL分析,掺杂后发射光谱的强度减弱并随着钒掺杂量的增加荧光光谱强度呈递减趋势；归因于钒离子的掺入有利于光生电子和空穴的分离，降低了它们的复合率。

制备温度对光催化性能的影响,反应液浓度对光催化性能的影响,pH值对光催化性能的影响,煅烧温度对光催化性能的影响,V掺杂量对光催化性能的影响,钒的掺杂提高了粉体对可见光的吸收；掺钒TiO2粉体表面羟基浓度增大。

钒离子较多时，可能成为光生电子和空穴的复合中心；,不同层数薄膜的亲水性,图为2#光照前（后）接触角图片,不同掺钒量薄膜的亲水性,图为A2光照前（后）接触角图片,A1为6.25%、A2为2.44%、A3为1.79%、A4为0.99%,加入不同量SiO2的薄膜,图为B3光照前（后）接触角图片,Ti：

V=40：

1B1为40：

1、B2为5：

1、B3为1：

1、B4为1：

2,图为C2光照前（后）接触角图片,Ti：

Si=1：

1C1为6.25%、C2为2.44%、C3为1.79%、C4为0.99%,机理分析,钒的摩尔份数为2.44%,掺钒TiO2薄膜,最佳亲水效果,最佳光催化效果,掺钒TiO2粉体,机理相似,光致亲水是因光催化除去表面污染物,创新点,制备得到能被可见光激发的掺钒TiO2光催化粉体及掺钒TiO2薄膜和掺钒/SiO2/TiO2薄膜，光谱吸收阈值波长红移至600nm，提高了对太阳光的利用率。

掺钒TiO2粉体在可见光下具有良好的光催化性能，在同等实验条件下粉体对甲基橙的降解效率明显高于P25。

掺钒/TiO2及掺钒/SiO2/TiO2薄膜在可见光下具有良好的亲水性。

谢谢大家,