1、摘 要当今全球范围内都不同程度地出现了环境污染问题, 探索和研究经济有效的消除环境污染物的新技术和新方法具有重要的意义。二氧化钛光催化作为一种先进的氧化技术,在环境领域具有十分广阔的应用前景。然而，TiO2光催化剂有其自身的缺陷：量子产率低和太阳能利用率低。研究表明，在TiO2中掺杂金属离子，不仅能影响电子-空穴对的复合率，提高表面羟基位，改善光催化效率，还可能使TiO2的吸收波长范围扩大到可见光区域，增加对太阳能的转化和利用。但金属沉积量过大会使TiO2光催化性能下降。此外，超声可以有效改善粒子的结构，提高其光催化性能。本文针对不同金属（Ho、Gd、Zr、Ag）的不同含量（0.5%、1%、2
2、%、3%、4%）进行掺杂改性超声制备，研究其对TiO2的光催化活性的改变。首先,本文将概述TiO2的制备方法,光催化氧化的机理及应用,并且通过国内外对TiO2研究进展,阐述研究金属掺杂改性、超声浸渍制备TiO2的原因。其次,本文将详细介绍制备纯TiO2和金属掺杂改性TiO2的超声制备溶胶凝胶法。再次，通过紫外光下样品的降解甲基橙实验，研究其光催化性能。研究结果表明：溶胶凝胶法成功制备TiO2，金属掺杂改性可以提高其光催化活性，并初步判断所选取金属元素的合适掺杂量。关键词：TiO2,光催化活性,溶胶-凝胶，金属掺杂，超声AbstractNowadays,various degree of the
3、 problems of environmental pollution have been presenting in the global range. In order to eliminate environmental pollutants , it has significant meanings that effectively new technology methods are explored and studied Therefore, as an advanced photocatalysis technique, TiO2 photocatalysis techniq
4、ue has an extremely wide application prospect in the domain of environment. However, TiO2 has its own shortcomings : low quantum yield and low utilization of solar energy. Research shows that the TiO2-doped metal ions, can not only affect the electronic - hole on the composite rate, improve surface
5、hydroxyl groups and photocatalytic efficiency, but also result in the absorption wavelength range extended to the visible region and the increase of solar energy conversion and utilization. However excessive metal deposition will affect TiO2 photocatalytic properties. Moreover, ultrasound can effect
6、ively improve the particle structure and enhance its photocatalytic properties. We study on TiO2 ,which is made by ultrasound ,photocatalytic activity changes on different metals (Ho, Gd, Zr, Ag) of different content (0.5%,1%,2%,3%.4%).First of all, this paper would summarize the making method of Ti
7、O2,the mechanism and the application of photocatalytic oxidation. Then it expounded the reason that researching metal-doped TiO2 made by ultrasound through the relative study internal and external. Secondly, this paper would particular introduce the Sol-Gel with ultrasound method to prepare pure TiO
8、2 and metal-doped TiO2.Thirdly,this paper would study the photocatalytic activity through methyl orange degradation experiment by mercury lamp respectively. The results shows : sol-gel method is successful in the preparation of TiO2, and metal-doped can improve photocatalytic activity. At last, the
9、appropriate metal doping can bejudged and selected.Keywords : TiO2 , Photocatalytic activity, Sol-gel, Metal-doped, Ultrasound 目 录1.绪论11.1.纳米二氧化钛光催化概述11.1.1.纳米二氧化钛光催化机理及特性11.1.2.纳米二氧化钛光催化的应用31.2.影响纳米二氧化钛光催化活性的因素41.2.1.晶体结构的影响41.2.2.粒径的影响51.2.3.比表面积的影响61.2.4.表面羟基的影响61.2.5.载流子俘获剂的影响71.3.纳米二氧化钛的制备71.3.
10、1.气相法制备纳米TiO2粉体71.3.2.液相法制备纳米TiO2粉体81.4.纳米TiO2的改性研究进展91.4.1.复合半导体91.4.2.贵金属沉积91.4.3.过渡金属离子掺杂101.4.4.稀土元素的掺杂111.4.5.非金属掺杂111.5.超声在制备纳米TiO2光催化剂方面的应用111.5.1.超声化学反应的基本原理超声空化121.5.2.超声在TiO2基光催化剂制备中的应用121.6.课题研究的目的和意义142.纳米TIO2粉末的制备152.1.实验材料152.1.1.化学试剂152.1.2.实验仪器152.1.3.实验装置162.2.TiO2的制备方法172.2.1.溶胶-凝胶
11、法制备TiO2原理172.2.2.制备步骤182.3.目标降解物的选择192.4.甲基橙的标准曲线212.5.TiO2光催化活性的评价212.6.空白实验223.金属元素掺杂纳米TIO2的实验研究243.1.纯TiO2的光催化性能研究243.1.1.制备方法243.1.2.纯TiO2的光催化性能243.2.掺杂Ho的TiO2的光催化性能研究263.2.1.制备方法263.2.2.Ho-TiO2的光催化性能263.3.掺杂Gd的TiO2的光催化性能研究273.3.1.制备方法273.3.2.Gd-TiO2的光催化性能273.4.掺杂Zr的TiO2的光催化性能研究293.4.1.制备方法293.4
12、.2.Zr-TiO2的光催化性能293.5.掺杂Ag的TiO2的光催化性能研究303.5.1.制备方法303.5.2.Ag-TiO2的光催化性能303.6.Ho、Gd、Zr和Ag四种金属掺杂TiO2光催化活性比较33结 论35参考文献36致 谢40401. 绪论1.1. 纳米二氧化钛光催化概述1.1.1. 纳米二氧化钛光催化机理及特性半导体粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带（valence band,VB）和空的高能导带(conduction band,CB)构成，价带和导带之间存在禁带。而二氧化钛是一种宽禁带半导体，常用的宽禁带半导体的吸收波长阈值大都在紫外光区，它们大多在可见光区不
13、吸收波长。应用最多的锐钛矿相TiO2在pH1时的禁带宽度Eg为3.2eV，根据公式1：g(nm)=1240/Eg(eV)计算得出，TiO2光催化所需入射光最大波长为387 nm。从上面的公式也可以判断光吸收阈值g越小，半导体的禁带宽度Eg越大，则对应产生的光生电子和空穴的氧化还原电极电势越高。TiO2的能带结构与被吸附物质的还原电势，决定了其光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应，要求受体电势比TiO2导带电势低，给体电势比TiO2价带电势高，才能发生氧化还原反应2。而TiO2电子空穴的电势大于3.0V，比一些常用的氧化还原电对，如高锰酸钾、氯气、臭氧甚至氟气的电极电势还要高，所以其
14、具有很强的氧化性。当TiO2被波长小于387nm的光照射后，能够被激发产生光生电子空穴对，并与氧气或水结合产生化学性质极为活泼的自由基基团，主要的自由基及反应历程可由下面的示意图和一系列式子来表示。TiO2+h TiO2+h+e-受激发产生的价带空穴是良好的氧化剂，导带的电子是良好的还原剂。大多数光催化氧化反应是直接或间接的利用空穴的氧化能。在光催化半导体中，空穴具有更大的反应活性，一般与表面吸附的H2O或OH离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基。 H2O + h+ OH+H+ OH- + h+ OH电子与表面吸附的氧分子反应，还是表面羟基自由基的另外一个来源，具体的反应式如下： O2+e- O2 H2O+O2 HO2+OH- 2HO2 O2+H2O2 HO2+H2O+e- H2O2+OH- H2O2+e- OH+OH-上面的式子中，产生了非常活泼的羟基自由基（OH），超氧离子自由基（O2）以及HO2自由基，这些都是氧化性很强的活泼自由基，能够将各种有机物直接氧化为CO2，H2O等无机小分子。而且因为它们的氧化能力强，使氧化反应一般不停留在中间步骤，不产生中间产物。VBCBhvhv体内复
