1、畢業論文題 目 TiO2摻雜及熱處理對光降解 亞甲基藍的影響 學 院 專 業 班 級 學 生 學 號 指導教師 二一五年月日- 23 -摘 要目前，在光催化反應所使用的所有半導體催化劑中，TiO2因為其無毒、抗光腐蝕、氧化能力強、催化活性高、穩定性好、成本低等性質最為常用。本實驗采用高溫氨氣熱處理法制備改性二氧化鈦粉體。選擇鈦酸四正丁酯作為前驅物，無水乙醇作為溶劑。制備前驅體后，利用真空高溫氨氣熱處理制備不同溫度及熱處理條件下的氮摻雜二氧化鈦粉體。并且利用X射線衍射（XRD）和紫外-可見光吸收曲線（UV-Vis）對其進行表征。采用亞甲基藍模擬降解物，選擇實驗制備的二氧化鈦粉體進行光催化性能的測

2、試。結果表明，在溫度相同的條件下，真空煅燒的二氧化鈦粉體能獲得更好的光催化性能。在相同熱處理條件下，在550oC時能獲得更好的光催化性能。以制備的二氧化鈦粉體為催化劑，用一定波長的可見光照射一定濃度的亞甲基藍溶液，實驗表明二氧化鈦粉體對亞甲基藍溶液的降解具有明顯的催化作用。關鍵詞：氮摻雜；熱處理；二氧化鈦；光催化。ABSTRACTCurrently, all of the semiconductor photocatalyst used in the catalytic reaction, TiO2 because of its non-toxic, anti-light corrosion,

3、 oxidation ability, high catalytic activity, good stability, and low cost nature of the most commonly used. The study, prepared by high-temperature heat treatment of ammonia-modified titanium dioxide powder. Select tetrabutyl titanate as precursor, ethanol as the solvent. After the preparation of th

4、e precursor, the heat treatment at different temperatures and for preparing nitrogen utilization of high-temperature vacuum heat treatment conditions ammonia-doped titanium dioxide powder. And the use of X-ray diffraction (XRD) and UV - visible absorption curve (UV-Vis) were characterized. Use of me

5、thylene blue analog degradation, select titania powders prepared photocatalytic experimental performance of the test. The results show that under the same conditions as temperature, vacuum calcination of titanium dioxide powder can get better photocatalytic properties. In the same heat treatment con

6、ditions at 550oC can get better photocatalytic properties. Visible light titanium dioxide powder preparation of the catalyst, with a certain wavelength of a certain concentration of methylene blue solution, experiments show that titanium dioxide powder on the degradation of methylene blue solution h

7、as obvious catalysis.Key words：Nitrogen doping；Heat Treatment；Titanium dioxide；Photocatalytic.目 錄摘 要IABSTRACTII1.1 二氧化鈦的研究背景及現狀- 1 -1.2 二氧化鈦光催化技術- 1 -1.2.1 光催化技術現階段應用- 1 -1.2.2 二氧化鈦光催化過程及機理- 2 -1.2.3影響光催化特性的因素- 3 -1.3 二氧化鈦的改性及光催化- 4 -1.3.1二氧化鈦的改性- 4 -1.3.2 金屬摻雜- 4 -1.3.3 非金屬摻雜- 4 -1.4 氮摻雜二氧化鈦粉體的制備方法

8、- 5 -1.4.1 高溫焙燒法- 5 -1.4.2水解沉淀法- 5 -1.4.3 有機前驅體熱解法- 6 -1.4.4 溶膠-凝膠法（Sol-Gel）- 6 -1.4.5 機械化學法- 6 -1.5 課題研究內容與意義- 6 -2 實驗部分- 8 -2.1 實驗藥品及儀器- 8 -2.1.1 實驗藥品和試劑- 8 -2.1.2 實驗儀器- 8 -2.2 二氧化鈦光粉體的制備- 8 -2.2.1 實驗前的準備- 8 -2.2.2二氧化鈦前驅體的制備- 8 -2.2.3不同溫度下二氧化鈦光催化劑的制備- 9 -2.2.4不同熱處理條件下二氧化鈦光催化劑的制備- 9 -2.3 二氧化鈦粉體的表征及

9、分析- 9 -2.3.1 X射線衍射（XRD）表征及分析- 9 -2.3.2 紫外-可見光吸收光譜表征及分析- 9 -2.4 二氧化鈦薄膜光催化特性測試- 11 -2.4.1 亞甲基藍溶液的配制及最大吸收波長的確定- 11 -2.4.2 二氧化鈦粉體的光催化反應- 11 -2.4.3不同溫度下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線- 12 -2.4.4不同熱處理條件下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲線- 17 -2.4.5 二氧化鈦光催化劑的重復利用及可見光吸收曲線- 18 -2.4.6 二氧化鈦粉體光催化反應小結- 19 -結 論- 20 -參 考 文 獻- 20 -致 謝- 22 -1 前言1.1 二氧化

10、鈦的研究背景及現狀材料作為人類生存和社會發展的物質前提，最早被人們當作當代文明的三大支柱之一，和它并列的還有信息和能源。后來人們又把新材料、生物技術、信息技術作為了新技術革命的重要標志。隨著材料科學技術不斷發展，納米材料也進入了人們的視線并且被納入了三大科技。納米材料指的是在三維的空間中至少有一個維度處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本結構單元構成的材料，材料的粒子尺寸極小因此具有許多特殊的效應，比如：表面與界面效應、宏觀量子隧道效應、量子尺寸效應和小尺寸效應等。納米技術意味著人類探究自然的能力已經到達原子、分子水平，也標志著人類的科技已進入一個新的納米技術時代。納米材料從發現至

11、今發展迅速，成為材料科學發展領域的熱點。納米TiO2屬于n型半導體材料，晶粒尺寸在1100 nm之間。在眾多納米材料的原材料中，TiO2因為其無毒、污染性低、氧化能力強、催化活性高、穩定性好、成本低、原材料廣泛等性質得到了材料領域和納米領域研究學者們的重視。納米TiO2也因為其性質有著十分廣闊的應用前景，廣泛運用在光催化降解、降解廢水、光電效應和太陽能電池能方面。1.2 二氧化鈦光催化技術光催化技術是一種可以直接利用太陽能作為光源的理想環境污染治理技術，具有無二次污染，催化劑本身性質穩定，處理污染物范圍廣等優點，在水凈化、殺菌、污水處理、對有毒有害物質的控制和空氣的凈化等方面很有應用前景。自

12、1972 年 Fujishima 和 Honda發現光照TiO2電極分解水發生光催化氧化還原反應并產生氫開始，光催化技術就成為了催化研究領域的一個熱點。Frank 等人在 1977 年將此技術應用在污染物于水體中的降解并且取得突破性的進展，成為光催化氧化技術在污染物治理方面的應用的成功典范并且引領出了一個全新的研究領域。1.2.1 光催化技術現階段應用光催化技術的操作工藝簡單，容易控制，能源的消耗低，能使物質完全降解而且不產生二次污染。因此在污染治理方面得到了廣泛的應用，尤其在土壤污染和廢水污染等方面有著廣闊的前景。現階段光催化劑選擇的大多數是n型半導體，在目前研究的所有光催化劑中，TiO2光

13、催化劑運用的最為廣泛。 TiO2光催化劑主要應用在以下方面：（1） 廢水處理：利用光催化技術能夠將廢水中難以分解的有機污染物降解成CO2、H2O和小分子產物，還能使廢水完全礦化。光催化所需的條件簡單只有光照，解決了廢水處理設備的成本問題。（2） 污垢清潔：TiO2薄膜有自清潔效應。在光照下，TiO2因為其光催化效應能夠降解膜表面的污垢，且降解出來的水由于其超親水作用，浸入到了薄膜和污垢間的界面，降低其吸附力，促使污垢可以脫落。（3） 消毒殺菌：TiO2光催化技術建立了完善的消毒滅菌的工藝流程，光催化反應可以殺死普通的病毒和細菌，而且還可以殺死部分瘤組織內的惡性細胞。（4） 食品保質：食品因為受

14、到紫外線的照射，保質期會大大下降，如果在食品的包裝材料中加入TiO2，因為TiO2光催化作用能夠吸收紫外線，在一定程度上保證了食品質量。袁志等人在殼聚糖保鮮膜里加入了TiO2，很大程度上減少了食品中細菌的生成。1.2.2 二氧化鈦光催化過程及機理光催化反應指的是在一定波長光的照射下，經過化學能和光能之間的能量轉換，催化反應進行。光催化反應能夠分為直接光催化反應和敏化光催化反應。直接光催化反應指的是材料自身在光照下直接被活化從而產生電荷，再和被吸附的分子完成反應。敏化光催化反應指的是材料上的敏化劑在光照下被活化從而產生電荷，間接轉移到材料上，再和被吸附的分子完成反應。到目前為止已經研究出了光催化

15、反應在光照條件下的機理過程，如圖1。半導體的能帶即價帶和導帶之間的能帶間隙即為禁帶，當半導體從光照中獲得的能量大于其本身的禁帶帶寬，就會激發價帶上的電子發生躍遷，同時在價帶上產生一個相對應的強氧化性的空穴，按照標準氫電位，產生的空穴電位為+3.0 eV，相比于普通氧化劑氧化性是非常強的，可以降解半導體表面的有機物。圖1 半導體微粒的主要反:(a)光生空穴的產生;伍)電子供體的氧化舊);(c)電子受體的還原(A);(d)and(e)電子和空穴分別在顆粒內表面和內部的復合作為光催化劑的二氧化鈦具有穩定的物理化學性質，成本低無污染，相比其他光催化劑活性更強，作用條件不苛刻，且工作長時間也能保持其光催

16、化活性。因此采用分散的二氧化鈦粉末參加光催化反應。二氧化鈦光催化氧化有機物的機理如下：TiO2 + hv h+ + e-h+ +OH- OHe- +O2 O2-有機物 + OH 中間產物 CO2 + H2O有機物 + O2- CO2 + H2O + 其他產物1.2.3影響光催化特性的因素（1） 晶型影響：二氧化鈦的三種晶相:銳鈦礦，金紅石，板鈦礦都是由基本單位TiO6通過不同連接方式組成的。銳鈦礦的結構是TiO6八面體共頂點，金紅石和板鈦礦是TiO6八面體共邊共頂點。因此一般催化活性較高的銳鈦礦晶型，原因是銳鈦礦晶型的禁帶寬度比金紅石晶型的禁帶寬度高，這使得銳鈦礦的電子空穴對的電位更正或更負,

17、從而氧化能力更高，而且銳鈦礦的晶格中的缺陷和位錯網更多，氧空位更多俘獲電子更多，同時，,銳鈦礦對OH、H2O、O2和有機物的表面能力較強,從而獲得更大的光催化活性。不過當按照一定比例存在金紅石晶型和銳鈦礦晶型的二氧化鈦時，其光催化性能會大大提高，而非單一相加。Bickley等人研究出某些具有高活性的混合物可能是因為薄的金紅石相生長在了銳鈦礦相的表面，產生混晶效應。總之,二氧化鈦的晶型對光催化性能的影響是因為多種因素的共同作用。圖2 二氧化鈦的銳鈦礦晶型和金紅石晶型結構示意圖（2） 光強的影響：在低光強照射時，光催化反應速率隨光強度的增加而增加；而在高光強照射時，光催化反應速率隨光強度的增加而降

18、低。（3） 厚度的影響：當厚度在一定范圍內，光催化特性隨厚度的增加而加強。薄膜厚度小于電子遷移距離時，被光照激活的電子數量隨著薄膜厚度的增加而增多，也隨之加強了光催化活性。1.3 二氧化鈦的改性及光催化1.3.1二氧化鈦的改性 TiO2 光催化劑在實際得操作應用中存在一定的問題，比如禁帶的寬度較寬，光吸收波長處于紫外光區，其能帶結構決定了只能利用太陽光中紫外線部分，不能夠充分的利用太陽光可見光部分，造成太陽光利用率低，光生電子-空穴易復合等原因嚴重限制了其在環境保護領域中的應用。近幾年來，為了提高TiO2 光催化劑對太陽光的可見光利用率，國內外許多研究學者對其進行了摻雜改性。改性的目的主要是拓

19、寬光響應的范圍促使光生電荷能夠有效分離抑制載流子復合以提高光量子的效率來提高光催化劑的穩定性等。對TiO2進行改性的方法主要有非金屬元素摻雜，復合半導體，過渡金屬元素摻雜，染料敏化，稀土金屬元素摻雜和貴金屬沉積等。1.3.2 金屬摻雜金屬摻雜指的是通過在TiO2的晶格內摻雜金屬，形成缺陷，使TiO2的電子能級結構分布得到改變，使光生電子-空穴復合減少，來使其光催化活性得到提高，常見金屬有Th、La、Ce等的稀土金屬離子和Fe、Co、Ni、Cu、Zn等的過渡金屬離子。在2011年吳雅睿等人用Sol-Gel法制備的TiO2 摻雜Cu2 +、Ni2 +、Pb2 +、Zn2 +、Fe3 +光催化劑的結

20、果表明了，TiO2 光催化劑摻雜改性后表現出了比較高的催化活性，使得其對甲醛的降解率等于或高于50%，尤其是TiO2 光催化劑摻雜Pb2 +離子后其降解率對甲醛高達9812% 。1.3.3 非金屬摻雜 過渡金屬元素摻雜雖然能夠改善TiO2在可見光下的活性,但是因為金屬離子成為復合中心,而使得TiO2在紫外光下的活性下降或在可見光下的活性遠低于在紫外光下的活性;另一方面,過渡金屬元素摻雜使TiO2穩定性變差,比如用濕化學法或離子注入的方法摻Cr、V等元素。最早被報道出具有可見光活性光催化材料是氮摻雜TiO2 ，早在1986年Sato等人就發現將氮引入TiO2 具有可見光響應，,但十幾年來沒有引起

21、人們的重視，直到2001年Asahi等人在Science上報道了非金屬元素以氮為代表替代少量的晶格氧能夠使得TiO2 的帶隙變窄，,在保持紫外光照下催化活性的同時,使TiO2具有可見光活性,從而提高了光催化的光量子效率，掀起了非金屬元素尤其是氮元素摻雜TiO2的熱潮。1.3.4 復合半導體 復合半導體的本質指的是一種顆粒相對于另外一種顆粒的修飾作用。半導體的復合可以提高電荷的分離效果，擴大 TiO2光譜的相應范圍。復合的方式主要有簡單組合、多層結構、摻雜、異相組合等。 利用混晶效應，用硫化物、硒化物等能隙較窄的半導體修飾 TiO2，提高其催化活性，比如 WO3-TiO2、CdS-TiO2、Sn

22、O2-TiO2、MoO-TiO2、V2O5-TiO2、ZnS等。1.3.4 染料光敏化 染料光敏化是 TiO2主要的修飾方法之一，光敏化的修飾可以使 TiO2得到可見光活性。染料光敏化可以通過在可見光下染料激發的電子注入到TiO2導帶中,從而使得TiO2的光激發波段能夠擴展到可見光區域,但絕大多數的敏化劑在近紅外區的吸收很弱,其吸收譜與太陽光譜還不能夠很好得匹配;除此以外敏化劑在水溶液里容易從催化劑的表面分離,而且其自身也有可能發生光降解。TiO2光敏化后可以使發色團降解或破壞染料分子的共軛結構，并且可以使高度礦得到 CO2和 H2O。但是環境參數（比如溶液的 pH 值，TiO2的晶體類型等）

23、對降解速率的影響較大，在實際應用中需要自主確定最佳參數。 1.4 氮摻雜二氧化鈦粉體的制備方法現階段制備氮摻雜二氧化鈦粉體的方法很完善也很多，但大多數方法僅適用于小量生產的實驗室，還不能夠投入到規模化的工業生產，其中制備方法最主要的有溶膠-凝膠法（Sol-Gel）、高溫焙燒法、水解沉淀法、有機前驅體熱解法、機械化學法。科學界也加大了對氮摻雜二氧化鈦粉體制備工藝的研究，使其向高性能、工藝簡單、低成本的方向發展。1.4.1 高溫焙燒法高溫焙燒法指的是在含氮氣的氣氛或在空氣中煅燒二氧化鈦或者其它含鈦的化合物，所用的氣氛為N2、NH3或Ar和NH3混合氣體等，通過控制在焙燒中的氣氛、時間、溫度等條件來

24、制備性質不同的TiO2摻雜。氨氣熱處理時的煅燒溫度通常高于500oC，這會使得TiO2粉體的比表面積急劇減少，因此將能熱分解產生氨氣的有機物如尿素等和TiO2粉體混合后在較低溫度下煅燒來控制產物使其比表面積下降，缺點是會有C或有機物殘留導致TiO2的光催化作用受影響。1.4.2水解沉淀法水解沉淀法指的是直接在含氮水溶液中將鈦鹽水解或將鈦鹽水解再和含氮的有機物反應得到氮摻雜二氧化鈦粉體。其中鈦鹽除鈦醇鹽如鈦酸四丁酯、鈦酸四異丙酯等外還有無機鈦鹽如四氯化鈦、硫酸鈦、三氯化鈦。氮源主要有含氮有機物尿素、硫脲等，無機的碳酸銨、氨水、氯化銨等。水解沉淀法的優點是一般反應能夠在較低的溫度下順利進行，工藝方

25、法簡單，原材料易獲得，且較易控制制備出納米級粒徑純凈均一的產物，因此許多研究學者都推薦采用此法。1.4.3 有機前驅體熱解法有機前驅體熱解法指的是含氮有機物和鈦鹽反應使得到的有機前驅體含有Ti-N鍵，再使得到的前驅體在不同的氣氛和溫度中煅燒摻雜改性。有機前驅體熱解法還可以制備二氧化鈦的碳氮共摻雜，所得的摻雜二氧化鈦有較好的光催化性能，但其碳氮共摻雜的機理還需要進一步探究。1.4.4 溶膠-凝膠法（Sol-Gel）目前制備納米氧化物使用最為廣泛的方法之一是溶膠-凝膠法。其原理是， 選取最佳的無機鹽或有機鹽（常用有機醇鹽）為前驅物水解制備溶膠，然后經過干燥、煅燒溶膠得到納米二氧化鈦粉體。在二氧化鈦

26、溶膠的制備，作為前驅體的鈦有機醇鹽通常選用的主要有鈦酸乙酯、四氯化鈦、鈦酸正丁酯等，最常用的為鈦酸正丁酯；常用溶劑有乙醇、丙醇和異丙醇等；常用穩定劑為二乙醇胺或冰醋酸等。以鈦的醇鹽為前驅體，其溶膠凝膠過程為：水解反應： 縮聚反應： 失水縮聚 失醇縮聚 溶膠-凝膠法的優點是能夠形成薄膜和大塊固體，摻雜改性容易實現，缺點是得到納米二氧化鈦粉體較難，而且破碎后的粉體的顆粒尺寸分布和孔徑分布較寬。1.4.5 機械化學法機械化學法指的是指通過摩擦、壓縮、沖擊、剪切、彎曲、延伸等方法對固體、氣體、液體物質加以機械能致使改變其物理化學性質或使其和周圍物質發生化學反應。機械化學法的常見設備有球磨機、行星磨等，

27、該法優點是設備易得、操作簡便等，缺點是在研磨時較難調控產物微結構。1.5 課題研究內容與意義本實驗采用高溫氨氣熱處理法制備氮摻雜二氧化鈦粉體。選擇鈦酸四正丁酯作為前驅物，無水乙醇作為溶劑。制備前驅體后，利用真空高溫氨氣熱處理制備不同溫度的氮摻雜二氧化鈦粉體。并且利用X射線衍射（XRD）和紫外-可見光吸收曲線（UV-V）對其進行表征。選擇實驗制備的改性二氧化鈦粉體進行光催化性能的測試，采用亞甲基藍模擬降解物。對制備的改性二氧化鈦粉體進行表征對比，確定出最佳的制備條件，如溫度、是否真空狀態。進行空白樣和所制備的改性二氧化鈦粉體的光催化實驗，得出改性二氧化鈦粉體的光催化性能及不同二氧化鈦粉體的光催化

28、性能的差別。二氧化鈦的氮摻雜為以后具有可見光響應的光催化劑的制備提供了一種有效的方法。我國的鈦資源占世界總儲量的1/4,居于世界之首,如果能利用豐富的鈦資源,制備出可見光催化劑,應用于污染處理、光能轉換等方面,不僅促進了我國經濟發展，改善了我們的生存環境，而且使世界所面臨的能源與環境污染問題都有望得到徹底的解決。2 實驗部分2.1 實驗藥品及儀器2.1.1 實驗藥品和試劑表2.1 實驗藥品和試劑及生產廠家藥品名級別生產廠家鈦酸四正丁酯CP（化學純）國藥集團化學試劑有限公司無水乙醇AR（分析純）天津市富宇精細化工有限公司尿素AR（分析純）萊陽市康德化工有限公司亞甲基藍AR（分析純）天津市津南區咸

29、水沽工業園區2.1.2 實驗儀器表2.2 實驗儀器及生產廠家儀器名生產廠家SHT型數顯恒溫磁力攪拌電熱套山東鄄城華魯電熱儀器有限公司78-1型磁力加熱攪拌器金壇市醫療儀器廠DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱上海一恒科技有限公司ZF-7型暗箱三用紫外線分析儀上海嘉鵬科技有限公司真空管式高溫燒結爐合肥科晶材料技術有限公司電子天平上海佑科儀器儀表有限公司紫外可見分光光度計北京普析通用儀器有限公司A8FOCUS型X射線衍射儀BRUKER AXS GMBHXiangYi H-1650高速離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司氙燈光源北京中教金源科技有限公司2.2 二氧化鈦光粉體的制備2.2.1 實驗前的準

30、備實驗前準備好實驗所需要的儀器和藥品。清洗將用到的儀器如燒杯、量筒、玻璃棒等：用自來水洗滌三次、用蒸餾水洗滌三次、最后用無水乙醇沖洗一次，在干燥箱里80 條件下干燥備用。2.2.2二氧化鈦前驅體的制備目前制備氮摻雜二氧化鈦粉體的操作工藝已經很成熟，不同之處在于選擇的制備方法不同。制備二氧化鈦粉體選擇的鈦源基本相似，大多采用鈦的有機醇鹽。本實驗選取鈦酸四正丁酯作為前驅物，無水乙醇為溶劑，制備二氧化鈦粉體前驅體。具體二氧化鈦前驅體制備程序：取5ml鈦酸四丁酯于一干燥燒杯中，將燒杯放于磁力攪拌器上，在不斷攪拌的情況下直接加入15ml無水乙醇，隨后逐滴加入1ml無水乙醇與蒸餾水1：1完全混合溶液，繼續

31、攪拌。得到白色絮狀有一定黏度的沉淀，將沉淀用無水乙醇洗滌兩次，無水乙醇和蒸餾水1：1混合溶液洗滌一次，將沉淀放入真空干燥箱中于80oC干燥12h，得到白色固體。將白色固體轉移到干凈的研缽中研磨，得到白色粉末，即為目標產物二氧化鈦前驅體。2.2.3不同溫度下二氧化鈦光催化劑的制備將上述目標產物二氧化鈦的前驅體分別在530oC、550oC、570oC時和相同質量的尿素同時于真空管式高溫燒結爐中抽真空至100oC，煅燒1小時，保溫2小時，尿素提供氮源，得到不同溫度下的氮摻雜二氧化鈦粉體。將上述目標產物二氧化鈦的前驅體分別在530oC、550oC、570oC時于真空管式高溫燒結爐中抽真空至100oC，

32、真空煅燒1小時，保溫2小時，得到不同溫度下的真空煅燒的二氧化鈦粉體。2.2.4不同熱處理條件下二氧化鈦光催化劑的制備將上述三組目標產物二氧化鈦的前驅體于550oC時在真空管式高溫燒結爐中煅燒，熱處理條件分別為和同等質量尿素同時煅燒、真空煅燒、空氣中煅燒，得到不同熱處理條件下的二氧化鈦粉體。2.3 二氧化鈦粉體的表征及分析2.3.1 X射線衍射（XRD）表征及分析如圖2.1所示為不同溫度條件下的氮摻雜二氧化鈦粉體的XRD衍射圖，圖2.1中的(a)、(b)、(c)分別表示為在530oC、550oC、570oC時氮摻二氧化鈦粉體的XRD衍射圖。如圖2.2所示為不同溫度條件下的真空煅燒的二氧化鈦的XR

33、D衍射圖，圖2.2中的(a)、(b)、(c)分別表示為530oC、550oC、570oC時真空煅燒的二氧化鈦粉體的XRD衍射圖。由圖2.1和圖2.2可以表明相同熱處理條件下550oC是煅燒的最佳溫度。如圖2.3所示為相同溫度550oC時不同熱處理條件的二氧化鈦粉體的XRD衍射圖，圖2.3中的(a)、(b)、(c)分別為和同等質量尿素同時煅燒、真空煅燒、空氣中煅燒的二氧化鈦粉體的XRD衍射圖。由圖2.3可以表明相同溫度550oC時，真空煅燒是最佳的熱處理條件。2.3.2 紫外-可見光吸收光譜表征及分析使用紫外可見分光光度計測試所制備的二氧化鈦粉體的可見光吸收光譜，對其進行吸光情況的表征。實驗用無

34、水乙醇掃描基線，然后掃描不同溫度及熱處理條件下二氧化鈦粉體的吸收曲線。 圖2.4 不同溫度下氮摻雜二氧化鈦粉體的可見光吸收光譜:a 530oC、b 550oC、c 570oC 圖2.5 不同溫度下真空煅燒二氧化鈦粉體的可見光吸收光譜：a 530oC、b 550oC、c 570oC通過圖2.4不同溫度下氮摻雜二氧化鈦粉體和圖2.5不同溫度下真空煅燒二氧化鈦粉體，測得其可見光吸收光譜，對其吸光性能進行表征。其中圖 a、b、c分別表示氮摻雜二氧化鈦粉體當溫度為530oC、550oC、570oC的吸收曲線；圖 a、b、c分別表示真空煅燒二氧化鈦粉體當溫度為530oC、550oC、570oC的吸收曲線。

35、由圖和圖 結果表明隨著溫度的增加，制備的二氧化鈦粉體的吸光度在可見光區域逐漸明顯，直到溫度為550oC時，二氧化鈦粉體在可將光區域的吸光度最為明顯。溫度再上升時，二氧化鈦粉體在可見光區域的吸光度反而逐漸不明顯。可能原因是550oC煅燒溫度是二氧化鈦粉體能夠在可見光區域獲得明顯吸收的最佳溫度。 圖2.6所示為相同溫度下，當熱處理條件不同時，二氧化鈦粉體在可見光區域的可見光吸收光譜。其中a是氮摻雜二氧化鈦粉體在可見光區域的吸收曲線，b是真空煅燒的二氧化鈦粉體在可見光區域的吸收曲線，c是在空氣中煅燒的的二氧化鈦粉體在可見光區域的吸收曲線，a、b、c煅燒溫度相同。從圖中可以看出氮摻雜二氧化鈦粉體在可見

36、光區域的吸收最為明顯。圖2.6不同熱處理條件二氧化鈦粉體在可見光吸收光譜：a氮摻雜，b真空煅燒，c在空氣中煅燒2.4 二氧化鈦薄膜光催化特性測試2.4.1 亞甲基藍溶液的配制及最大吸收波長的確定本實驗對制備的二氧化鈦粉體的光催化進行測試，選擇亞甲基藍為降解物。首先配制一定濃度的亞甲基藍，來測定亞甲基藍溶液的最大吸收波長。本實驗配制的亞甲基藍的濃度為17.7mg/L ，選擇蒸餾水作為溶劑。使用石英比色皿，紫外可見分光光度計測試亞甲基藍的吸收曲線。先用蒸餾水掃描出基線，然后取適量配制好的亞甲基藍溶液潤洗比色皿，再放入光度計中測試。2.4.2 二氧化鈦粉體的光催化反應由二氧化鈦粉體的紫外-可見光吸收

37、曲線表征情況，本實驗選擇氙光光源模擬太陽光參加光催化反應的測試。氙光光光源強度為一個太陽光。具體操作方法：取一干凈容量瓶，加入10 mL提前配制的亞甲基藍溶液，然后將蒸餾水加入到100ml容量瓶中定容，搖勻備用。取100 mL稀釋后的亞甲基藍溶液于一干凈燒杯中，加入0.05g二氧化鈦光催化劑，將燒杯在暗室中置于磁力攪拌器上使其攪拌12h，保證二氧化鈦粉體對亞甲基藍溶液充分吸附。將吸附過后的溶液離心出50ml上清液，將有二氧化鈦粉體的亞甲基藍溶液和離心出的上清液分別放在氙光光源下，選擇可見光照射溶液，每隔30 min測試一次亞甲基藍反應后的吸收曲線。2.4.3不同溫度下二氧化鈦粉體的可見光吸收曲

38、線（1） 氮摻雜二氧化鈦粉體作為光催化劑，在氙燈光源照射下，催化降解亞甲基藍溶液，每隔30 min測試亞甲基藍的可見光吸收光譜。如圖2.7.1所示為煅燒溫度為530oC時制備的氮摻雜二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線,圖2.7.2所示為其上清液的可見光吸收曲線。圖2.8.1所示為煅燒溫度為550oC時制備的氮摻雜二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線，圖2.8.2所示為其上清液的可見光吸收曲線，圖2.9.1所示為煅燒溫度為570oC時制備的氮摻雜二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線,圖2.9.2所示為其上清液的可見光吸收曲線。從圖中可以看出氮摻雜二氧化鈦粉體

39、對亞甲基藍的降解有明顯的催化作用，且當煅燒溫度為550oC時，氮摻雜二氧化鈦的催化作用更明顯，550oC為氮摻雜二氧化鈦粉體煅燒的更適宜溫度。圖2.7.1煅燒溫度為530oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min, f t=150min, g t=180min, h t=210min; i t=240min.圖2.7.2煅燒溫度為530oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的上清液的可見光吸收曲線圖2.8.1煅燒溫度為550oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c

40、 t=60min,d t=90min,e t=120min.圖2.8.2煅燒溫度為550oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的上清液的可見光吸收曲線圖2.9.1煅燒溫度為570oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min, f t=150min, g t=180min, h t=210min; i t=240min.圖2.9.2煅燒溫度為570oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的上清液的可見光吸收曲線（2） 真空煅燒的二氧化鈦粉體做催化劑，在氙燈光源照射下，催化降解亞甲基藍溶液，每隔30 min測試亞甲基藍的

41、可見光吸收光譜。如圖2.10所示為煅燒溫度為530oC時制備的真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線。圖2.11.1所示為煅燒溫度為550oC時制備的真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線，圖2.11.2所示為其上清液的可見光吸收曲線，圖2.12所示為煅燒溫度為570oC時制備的真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線。從圖中可以看出真空煅燒的二氧化鈦粉體對亞甲基藍的降解有明顯的催化作用，且當煅燒溫度為550oC時，真空煅燒的二氧化鈦的催化作用最明顯，550oC為真空煅燒的二氧化鈦粉體煅燒的更適宜溫度。圖2.10煅燒溫度為530oC真空

42、煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min.圖2.11.1煅燒溫度為550oC真空煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min.圖2.11.2煅燒溫度為550oC真空煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的上清液的可見光吸收曲線圖2.12煅燒溫度為570oC真空煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min, f t=150min.2.4.4不同熱處理條件下二氧化

43、鈦粉體的可見光吸收曲線光催化劑分別是氮摻雜二氧化鈦粉體、真空煅燒二氧化鈦粉體、在空氣中煅燒的二氧化鈦粉體，控制制備光催化劑時煅燒溫度為550oC，在氙燈光源照射下，催化降解亞甲基藍溶液，每隔30 min測試亞甲基藍的可見光吸收光譜。如圖2.13所示氮摻雜二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線。圖2.14所示為真空煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線，圖2.15所示為在空氣中煅燒的二氧化鈦作為光催化劑降解亞甲基藍的可見光吸收曲線。從圖中可以看出，真空煅燒和氮摻雜都對二氧化鈦粉體的光催化性能有促進作用，且真空煅燒時二氧化鈦的光催化性能更好，真空煅燒是二氧化鈦粉體更適宜的

44、熱處理狀態。圖2.13煅燒溫度為550oC氮摻雜二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min.圖2.14煅燒溫度為550oC真空煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min.圖2.13煅燒溫度為550oC在空氣中煅燒二氧化鈦降解亞甲基藍的可見光吸收曲線:a t=0,b t=30min,c t=60min,d t=90min,e t=120min.2.4.5 二氧化鈦光催化劑的重復利用及可見光吸收曲線煅燒溫度為550oC時真空煅燒的二氧化鈦粉體

45、催化降解亞甲基藍溶液后，離心得可重復利用的二氧化鈦光催化劑，選擇氙光光源模擬太陽光參加光催化反應，測試二氧化鈦粉體作為光催化劑的重復利用性能。氙光光光源強度為一個太陽光。具體操作方法：取一干凈容量瓶，加入10 mL提前配制的亞甲基藍溶液，然后將蒸餾水加入到100ml容量瓶中定容，搖勻備用。取100 mL稀釋后的亞甲基藍溶液于一干凈燒杯中，加入已經進行過一次光催化反應的二氧化鈦光催化劑，將燒杯在暗室中置于磁力攪拌器上使其攪拌12h，保證二氧化鈦粉體對亞甲基藍溶液充分吸附。將吸附過后的溶液離心出50ml上清液，將有二氧化鈦粉體的亞甲基藍溶液和離心出的上清液分別放在氙光光源下，選擇可見光照射溶液，每隔30 min測試一次亞甲基藍光照后的吸收曲線。從圖2.14中可以看出，真空煅燒的二氧化鈦粉體重復利用進行光催化反應時仍然有良好的光催化性能，表明真空煅燒的二氧化鈦粉體重復利用率高，可以重復利用。 圖2.14 真空煅燒的二氧化鈦粉體重復利用進行光催化反應的可見光吸收曲線2.4.6 二氧化鈦粉體光催化反應小結二氧化鈦粉體的光催化反應是本實驗唯一一個對二氧化鈦性能探究的部分，探究了不同溫度及不同熱處理條件得到的二氧化鈦粉體的光催化性能，加上一個空白對比實驗，可以得出結論，二氧化鈦粉體對亞甲基藍溶液的降解有一定的催化作用。當溫度及熱處理條件不同時，二氧化鈦粉體的催化性能改變很大。結