二氧化硅光催化剂

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1、安徽理工大学化工计算机设计说明书化工计算机设计说明书TiO2光催化剂制备及其表征PREPARATION AND CHARACTERIZATION OFTITANIUM DIOXIDE (TiO2) LIGHT CATALYST 学院（部）： 化 学 工 程 学 院 专业班级： 化 工 094 班 学生姓名： 曹 正 洋 学 号： 2009301800 指导教师： 王 震 2012 年 3 月 26 日TiO2光催化剂制备及其表征摘要近30年来，由于在环境治理、太阳能转换和临床医学等诸多方面的潜在应用，光催化剂极其相关技术得到了快速发展。工业发展及现实生活中对光催化剂的需求急剧增加，怎样快速高效

2、获取光催化剂成了化工工业和催化工业的首要问题。文章主要绍了1：二氧化钛光催化剂的几种制备方法、负载技术和离子掺杂技术。2：二氧化钛光催化剂的表征。并利用Origin对数据进行分析处理，利用Chem Sketch 绘制化学分子式和化学结构。关键词：二氧化钛，光催化，制备（离子掺杂），Origin，Chem SketchPREPARATION AND CHARACTERIZATION OFTITANIUM DIOXIDE (TiO2) LIGHT CATALYST ABSTRACT For nearly 30 years, because the environment management, s

3、olar energy transfer and clinical medicine of many aspects, such as potential applications, light catalyst and related technology has been developed rapidly.Industrial development and the real life of the catalyst has increased dramatically light demand, how fast and efficient catalyst for light bec

4、ame chemical industries and catalytic industrial most important question. This article mainly occupying 1：the titanium dioxide light catalyst several preparation methods, load technology and ion doping technology.2：Titanium dioxide light characterization of catalysts.And the Origin of the data proce

5、ssing, the use of Chem Sketch rendering chemical formula and chemical structure.KEYWARDS：Titanium dioxide, light catalysis, preparation (ion doped), Origin, Chem Sketch目录摘要（中文）2摘要（外文）31绪论5 1.1引言5 1.2二氧化钛（TiO2 ）光催化剂5 1.3激发二氧化钛（TiO2 ）的光子62二氧化钛（TiO2）光催化反应机理简述73 二氧化钛（TiO2）光催化剂9 3.1 二氧化钛（TiO2 ） 光催化剂的制备9

6、3.1.1溶胶凝胶法9 3.1.2水热反应法9 3.1.3强迫水解法9 3.1.4醇盐水解法9 3.1.5均匀沉淀法9 3.1.6微乳液法9 3.2 二氧化钛（TiO2）光催化剂的负载技术10 3.2.1二氧化钛（TiO2）催化剂的载体10 3.2.2负载方法11 3.3二氧化钛（TiO2）光催化剂的掺杂改性11 3.3.1掺杂金属离子改性11 3.3.2非金属掺杂134 TiO2光催化剂的结构和性能表征14 4.1 TiO2光催化剂的XRD表征14 4.2 TiO2光催化剂的热重分析14 4.3 TiO2光催化剂的红外光谱表征155 化学实验数据和图形的计算机处理16 5.1 化学实验数据的

7、计算机处理16 5.1.1利用Origin对掺杂TiO2光催化剂进行二维图的绘制16 5.2 化学实验数据的计算机处理185.2.1利用Chem Sketch绘制光催化剂的化学结构式以及反应机理方程 式196 总结217 参考文献228 致谢23附页1PPT大纲说明124附页2PPT大纲说明2251绪论1.1引言光催化技术是在20世纪70年代诞生的基础纳米技术，在中国大陆我们会用光触媒这个通俗词来称呼光催化剂。典型的天然光催化剂就是我们常见的叶绿素，在植物的光合作用中促进空气中的二氧化碳和水合成为氧气和碳水化合物。总的来说纳米光触媒技术是一种纳米仿生技术，用于环境净化，自清洁材料，先进新能源，

8、癌症医疗，高效率抗菌等多个前沿领域。1.2二氧化钛（TiO2 ）光催化剂世界上能作为光触媒的材料众多，包括二氧化钛(TiO2),氧化锌(ZnO),氧化锡(SnO2),二氧化锆(ZrO2)，硫化镉(CdS)等多种氧化物硫化物半导体，其中二氧化钛(Titanium Dioxide)因其氧化能力强，化学性质稳定无毒，成为世界上最当红的纳米光触媒材料。在早期，也曾经较多使用硫化镉(CdS)和氧化锌(ZnO)作为光触媒材料，但是由于这两者的化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性，故发达国家目前已经很少将它们用作为民用光催化材料，部分工业光催化领域还在使用。二氧化

9、钛是一种n型半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)，金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种晶体结构，其中只有锐钛矿结构和金红石结构具有光催化特性。二氧化钛是氧化物半导体的一种，是世界上产量非常大的一种基础化工原料，普通的二氧化钛一般称为体相半导体以与纳米二氧化钛相区分。具有Anatase或者Rutile结构的二氧化钛在具有一定能量的光子激发下光子激发原理参考光触媒反应原理能使分子轨道中的电子离开价带(Valence band)跃迁至导带(conduction band)。从而在材料价带形成光生空穴Hole+，在导带形成光生电子e-,在体相二氧化钛中由于二氧化钛颗粒很大，光生电

10、子在到达导带开始向颗粒表面活动的过程中很容易与光生空穴复合，从而从宏观上我们无法观察到光子激发的效果。但是纳米的二氧化钛颗粒由于尺寸很小，所以电子比较容易扩散到晶体表面，导致原本不带电的晶体表面的2个不同部分出现了极性相反的2个微区-光生电子和光生空穴。由于光生电子和光生空穴都有很强的能量，远远高出一般有机污染物的分子链的强度，所以可以轻易将有机污染物分解成最原始的状态。同时光生空穴还能与空气中的水分子形成反应，产生氢氧自由基亦可分解有机污染物并且杀灭细菌病毒。这种在一个区域内2个微区截然相反的性质并且共同达到效果的过程是纳米技术典型的应用，一般称之为二元论。该反应微区称之为二元协同界面。从上

11、面介绍我们可以看到，二氧化钛的光催化反应过程，很大程度依靠第一步的光子激发，所以有足够激发二氧化钛的光子，才能提供足够的能量，我们也可以知道，光催化反应并不是凭空产生的它也是需要消耗能量的，符合能量守恒原则，它消耗的是光子，也就是光能。如果是太阳光照射光触媒就利用太阳能，灯光就是利用光能。联合国将光触媒开发列为21世纪太阳能利用计划的重要组成部分。1.3激发二氧化钛（TiO2 ）的光子什么样的光子能激发二氧化钛呢？从理论结构上来说，锐钛二氧化钛的导带与价带之间的间隙我们称之为能隙是3.2eV 而金红石二氧化钛为3.0eV,所以金红石需要光能大于3.0eV的光子而锐钛需要大于3.2eV的光子。光

12、子的能量E与波长(Lambda)与之具有反比关系E = h C / ，所以可以知道波长小于380nm的光可以激发锐钛型二氧化钛。虽然锐钛矿需要略多的能量来激发，但是同样的锐钛矿的二氧化钛光触媒具有更强的氧化能力，所以被更为广泛的使用。有研究表明接近7nm粒径时，锐钛矿要比金红石更为稳定，这也是很多纳米光触媒采用锐钛型的原因。2二氧化钛（TiO2）光催化反应机理简述TiO2是一种n型半导体，带隙能(Ebg)为32ev(锐钛矿型)，相当于波长为3875nm的光子能量。当TiO2受到波长小于或等于3875nm的光子能量照射时，价带的电子跃迁到导带上，从而产生了光生电子(e-)一空穴(h+)对。具有光

13、催化活性的TiO2主要为两种晶型：锐钛矿型和金红石型。两种晶型都是由相互连接的TiO2八面体组成的，其差别就在于八面体的畴变程度和相互连接的方式的不同。这些结构上的差别导致了两种晶型有着不同的密度和电子能带结构。锐钛矿型TiO2的光催化活性要远高于金红石型TiO2，其原因在于：(1)锐钛矿型TiO2晶格中含有较多的缺陷和位错，从而产生较多的氧空位来捕获电子；而金红石型TiO2缺陷少，光生空穴和电子容易复合；(2)金红石型TiO2光催化活性低，还可能与高温处理过程中粒子大量烧结引起表面积的急剧下降有关。TiO2受适当的光激发后，价带电子跃迁到导带，形成导带电子(e-)，同时在价带留下空穴(h+)

14、。电子一空穴对的寿命较1长，它们能够与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面品格缺陷俘获，空穴一电子对也可以在催化剂粒子内部或表面直接发生复合。空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH-或H2 O 发生作用生成HO，HO是一种活性很高的物质，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂；空穴本身也具有强氧化能力，也可能是光催化反应的主要物质。同时光生电子也能够在电场的作用下迁移到催化剂表面，与吸附在表面的O2发生作用生成HO2 和O2-等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应，对于能够吸收可见光的染料类化合物，还存在另一条降解途径，其

15、反应机理与上述有所不同：在可见光的照射下，染料化合物吸收光子形成激发单重态(1dye3)或激发三重态(3 dye3)；激发态的染料分子吸附TiO2在表面后能够向TiO2导带注入一个电子而自身生成正羟自由基；注入导带的电子与吸附在TiO2表面的O2作用后形成O2-，并进一步形成HO2 等活性氧自由基。这些活性氧进攻染料正碳自由基，形成羟基化产物，再经一系列氧化还原反应最终生成CO2、H2 O 等无机小分子。具体反应过程如下(其中，h+代表正电性的空穴， e- 为光激发电子，OH是氢氧根自由基， OH- 为氢氧根离子，O2-是带负电的氧原子自由基，HO2是反应中间体)：TiO2+hv(Eg) h+

16、 + e- (1)所产生的h+将吸附在TiO2颗粒表面的OH- 和H2 O 氧化为羟基自由基：H2 O + h+ OH + H+ (2)OH- + h+ OH (3)O2 + e- O2- (4) H2 O +O2- O2H + OH- (5)2O2H O2 + H2 O2 (6)O2H + H2 O + e- H2 O2 + OH- (7）H2 O2 + e- OH + OH- (8)Linsebigler等认为多相光催化降解有机物时，O2 和H2 O都是必需的。在气固光催化过程中，O2 起主要作用(氧化剂O2- )；在液固光催化过程中， H2 O起主要作用(氧化剂为OH， O2 H)。由于

17、光催化反应过程中存在复合与输运两个相互竞争的过程，其中只有光激发载流子的俘获并与电子给体或受体发生反应才是有效的。因此要提高光催化量子效率，必须进一步抑制电子e- 空穴对的复合，降低其复合速率。从以上反应机理我们可知，多相光催化反应的催化剂实际上是一个光照催化剂产生高活性自由基的过程，而且无论是气相光反应还是液相光反应，它们都发生在催化剂表面或表面附近的位置。图1 二氧化钛（TiO2）光照产生电子-穴洞及其氧化-还原示意图3 二氧化钛（TiO2）光催化剂3.1 二氧化钛（TiO2 ） 光催化剂的制备3.1.1溶胶凝胶法此方法是近年来被广泛采用的一种方法。其基本原理是，将钛醇盐或钛的无机盐水解，

18、然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥，焙烧，最后得到超细TiO2。该法制得的产品纯度高，颗粒细，烘干后凝胶颗粒自身的烧结温度低，但凝胶颗粒烧结性差，块状材料烧结性不好，干燥时收缩大。3.1.2水热反应法此法是指在高温高压的水溶液中进行的一系列化学物理反应。在高温高压的水溶液中，许多化合物表现出与常温下不同的性质。如溶解度增大、离子活度增强、化合物晶体结构易转型等。水热反应正是利用了化合物在高温高压水溶液中的特殊性质，制备出超细TiO2的。该方法制得的产品纯度高，分散性好，晶型好，且尺寸大小易控制。3.1.3强迫水解法钛盐溶液直接强迫水解是制备超细TiO2最简单的方法。该方法的特点是：工艺简单；产

19、品粒度均匀、分散性好；反应温度低且时间短（5-6h）；颗粒尺寸可以人为控制；生产成本低，易实现工业化。3.1.4醇盐水解法 它是利用钛醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解，生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性，制备超细TiO2的一种方法。该法的最大特点是从溶液中直接分离合成所需的高纯度超细粉末。获得的颗粒分布均匀，性能优异，纯度高，形状易控制。缺点是原料成本昂贵，金属有机物制备困难，合成周期长。3.1.5均匀沉淀法它是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地释放出来，加入溶液中的沉淀剂不立刻与沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成。采用均匀沉淀法，只要控制好生成沉淀剂的速

20、度，就可避免浓度不均匀的现象，使过饱和度控制在适当范围内，从而控制粒子的生长速度，获得粒度均匀、致密、便于洗涤、纯度高的超细粒子。3.1.6微乳液法 微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂和水（或电解质溶液）组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液法或W/O反胶团法制备超细颗粒是近几十年发展起来的新方法。微乳液制备超细颗粒的特点在于：粒子表面包裹一层表面活性剂分子，使粒子间不易团聚；通过选择不同的表面活性剂分子可对粒子表面进行修饰，并控制微粒的大小。微乳液的水核半径与体系中H2O和表面活性剂的浓度及种类有关，令W=H2 O/表面活性剂，则在一定范围内，水核半径随W增大而增大。由

21、于化学反应被限制在水核内，最终得到的颗粒粒径将受水核大小的控制。这种方法的实验装置简单，操作容易，并且有可能人为地控制颗粒的粒度，正引起人们的重视。3.2 二氧化钛（TiO2）光催化剂的负载技术3.2.1二氧化钛（TiO2）催化剂的载体(1) 玻璃类： 由于空心玻璃微球可漂浮于水面，因此多用于水油污处理，方佑龄等U41以空心玻璃微球作载体，用浸涂、热处理方法制备出飘浮负载型TiO2薄膜光催化剂，以辛烷为石油中烷烃代表，经1h光照能降解90以上。Fernandez等H纠认为在热处理时，Na+ ，Si4+可以从载体表面迁移到TiO2层，破坏TiO2的晶格结构，成为电子一空穴复合中心，从而降低TiO

22、2光催化活性，而Si4+相对而言在热处理时更加惰性和稳定。因此，普通钠钙玻璃作载体时相对石英玻璃效果较差。由于玻璃表面十分光滑平整，故对TiO2，的附着性能相对较差，在其表面负载透光性好、附着牢固、均一、光催化活性高的TiO2层需较先进的工艺。(2) 金属类： 由于金属类一般价格昂贵，且金属离子如Fe3+、Cr3+等在热处理时会进入TiO2层，破坏TiO2晶格降低催化活性。另外金属表面如同玻璃表面，一般捕捉性也较差，表面负载较困难。因此，金属类使用较少。目前使用的主要有不锈钢、镍片等。（3） 吸附剂类： 吸附剂类本身为多孔性物质，比表面积较大，是常用的催化剂载体。目前被用作TiO2载体的有硅胶

23、、沸石、活性炭等。使用吸附剂类作为载体的最大优点是可以将有机物吸附到TiO2粒子周围，增加局部浓度以及避免中间产物挥发或游离，加快反应速度，HiroyukiUchida等n61使用活性炭作为载体，在光照下能催化降解较稀浓度的除草剂。(4) 陶瓷类： 未上釉的陶瓷类对超细颗粒的TiO2具有良好的吸附性能，因此陶瓷片、陶瓷纸、硅铝陶瓷空心微球等也常选作载体。MichealLSaue等N71以蜂窝状陶瓷柱负载TiO2后用于光催化降解空气中丙酮效果良好。(5) 非金属矿物： 非金属矿，特别是层状硅酸盐矿物复合形成的层状化合物，因其独特的层状微孔结构广泛用作催化剂的载体。蒋引珊等引利用天然沸石、膨润土作

24、载体制备TiO2矿物复合物，对有机染料罗丹具有分解脱色性能，脱色率达94以上，且光催化性能稳定、持久。Kumara等9J制成TiO2玻璃薄膜固定式光反应器，废水以100mLh的流速连续流经反应器，在太阳光照射下，水中酚类有机物最终全部矿化。以13一x、NaY、4A沸石分子筛为载体对直接坚牢猩红4BS和酸性红3B染料的降解也取得较好效果。3.2.2负载方法(1) 化学气相沉积法： 化学气相沉积法(CVD)是传统的制膜技术。前驱物需用载气(H2、Ar等)输送到反应室。利用气体物质在载体表面上进行化学反应，生成TiO2薄膜。其中有机金属物化学气相沉积法(MOCVD)心在负载TiO2时，用钛的有机醇盐

25、作为源物质于反应室在一定的温度下(一般在500左右)进行热解或氧化反应。另外也可采用等离子体化学气相沉积法(PECVD)和原子层化学沉积法(ALCVD)制备TiO2，纳米粒子薄膜和超薄膜。(2) 偶联法： 用硅偶联剂、环氧粘合剂、羧甲基纤维素钠等偶联剂与纳米粉体混匀，然后涂附到载体上，颗粒状的载体则直接与TiO2粉体一起加入偶联剂中共搅或加热回流。此法将TiO2粉体与载体通过偶联剂粘合在一起。但因为偶联剂本身也多是有机物，长期使用会产生裂痕，甚至剥落。(3) 离子交换法： 离子交换法主要用于具有阳离子交换功能的一类载体。载体中的易溶离子与TiO2+、Ti(III)及带正电荷的TiO2溶胶粒子直

26、接发生离子交换，再经锻烧或在潮湿的空气中水解即成。(4) 液相沉积法： 近年来在湿化学法中发展起一种液相沉积法(LPD)。用此法只需在适当的反应液中浸入基片。在基片上就会沉积出氧化物或氢氧化物的均一致密的薄膜。(5) 浸涂一热分解法： 以钛酸酯类为原料。将其溶于高粘度的溶剂。直接在载体表面浸涂一层薄膜。再经过焙烧热分解即可在载体上制得透明的TiO2薄膜。经450焙烧一小时，即可得TiO2薄膜，研究表明TiO2薄膜晶相为锐钛矿型。晶粒直径为715nm，加入聚乙二醇等作稳定剂，晶粒可变得更小。3.3二氧化钛（TiO2）光催化剂的掺杂改性3.3.1掺杂金属离子改性 杂质金属离子掺人TiO2后，能够改

27、变TiO2相应的能级结构。金属离子可以接受TiO2导带上的电子，使其成为光生电子一空穴对的浅势捕获阱。杂质金属氧化物的带隙能较小，可以吸收较大波长范围内的光子，从而扩展了TiO2吸收光谱的范围，还能俘获TiO2受激发所产生的电子和空穴，从而降低了电子空穴的复合几率，延长了载流子的寿命，载流子传递到界面发生氧化还原的机会也随之增多，因此TiO2的光催化效率就提高了。但是，杂质离子也会成为电子一空穴的复合中心，有不利于催化剂光催化活性的一面。因此掺杂离子存在一个最佳的掺杂浓度。（1） 掺杂过渡金属研究表明： 少量过渡金属离子的掺人不仅可以影响二氧化钛的晶粒生长和结构相变，而且可以在不同程度上影响到

28、二氧化钛的光催化性能。有的金属离子的掺人提高了光催化性能，有的金属离子的掺人则影响很小，有的反而降低了光催化活性，有时在不同的实验条件下，相同的金属离子却得到相反的结论。PingCheng和岳林海分别认为硅和铁的加入抑制了二者之间的相变。钕离子对二氧化钛的掺杂在0.1mol时，最大程度上增加了反应活化能，从而抑制了AR的相转变。还发现钒离子的掺杂加速了锐钛矿晶粒的生长，相变温度在400左右，并且扩展了光谱吸收范围。研究发现，大多数过渡金属都能改善TiO2的光催化活性，尤其是Fe的掺入能够很好地提高TiO2的光活性。有研究表明，Co+与Cu2+和Fe3+在影响TiO2的光催化活性方面有类似的作用

29、，可见，此类具有多个能级的中间价态金属离子在提高TiO2光催化性能方面具有更大的优势。离子半径也是一个重要的影响因素，理论认为与Ti金属离子的半径和配位数比较匹配的金属离子易于取代Ti或进入晶格间隙，形成活性中心，由此来提高二氧化钛的催化活性。因此，和其半径相接近的Fe3+、Co3+、Ni2+、Cr3+易于进入到TiO2晶体中，且分布均匀；而半径较大的Zn2+等难以进入TiO2晶格中，即使在较低浓度下，也易析出ZnO晶簇，因此，掺Zn2+对TiO2光催化活性影响不大。有文献表明TiO2的有机物降解率与掺杂离子的电荷半径比有很大关系，掺杂离子的电荷半径比越高，掺杂后TiO2膜的光催化性能就越高。

30、（2） 掺杂贵金属研究表明： 在TiO2表面沉积某些贵重金属如Ag、Pd、Pt、Au及其金属氧化物，可提高TiO2的光催化活性。刘守新等对载银纳米二氧化钛的光催化反应的活性和机理等作了一系列的研究，以苯酚的降解为研究对象，结果显示：Ag在TiO2表面形成纳米级团簇结构，具有较强的电子接受和传递能力，在其表面形成较多的O2，有效降低光生h+e- 在TiO2内部的复合，提高催化剂的活性。史月萍等用光还原沉积法制备了掺铂的二氧化钛纤维催化剂，考察了掺铂量、氧气及pH值等条件对降解氯仿反应的影响，证明了这种纤维光催化剂的催化性能是颗粒光催化剂的15倍。Chao发现掺杂适量的Ag，会促进TiO2晶相由锐

31、钛矿相向金红石相转变，但可阻止锐钛矿相TiO2晶粒的长大，增大TiO2的比表面积。Lopez发现溶胶一凝胶过程的DH值会影响到热处理过程中二氧化钛的相变问题：在酸性条件下，Pt的存在促进了金红石相的生成，而在碱性条件下，则生成锐钛矿与金红石的混晶颗粒。（3） 掺杂稀土元素 岳林海等人研究了稀土元素掺杂二氧化钛的相变和光催化性能，按照产生氧空缺方式的不同，稀土掺杂离子与二氧化钛晶格的作用可分为两类。一类是单一价态或以+3价为主的稀土掺杂离子，如La3+、Gd3+、Y3+等。这些离子通过扩散进入晶格替代钛离子，产生氧空缺，从而促进相变和金红石相的晶粒生长，影响二氧化钛悬浮体系的光催化活性。另一类是

32、可变价态的稀土掺杂离子，如Ce+、Tb3+、Eu3+等，它们容易在二氧化钛晶格表面发生氧化还原反应，然后通过扩散产生氧空缺或晶隙钛，从而促进或抑制相变，影响其光催化活性。Jing Liqiang认为La3+的掺入强烈地抑制了二氧化钛AR的相转变，同时得到了TiO2的光催化性能与荧光发射光谱的强度相关的结论。其他研究结果表明掺杂适量的稀土元素如Ce4+、La3+、Y3+、Gd3+、Pr3+等元素均可提高TiO2薄膜的光催化活性。稀土镧还可以作为分散剂形成更小的纳米晶，同时起到分散纳米TiO2粒子和抑制纳米TiO2粒子生长的作用，从而增强TiO2的光催化活性。3.3.2非金属掺杂 由于金属离子掺杂

33、的缺陷，有些研究者转向采用非金属离子掺杂对TiO2进行改性。Hattori等b引采用Sol-gel法在玻璃上制备了F掺杂TiO2膜，发现F掺杂促进了光催化氧化活性的显著增加。研究表明，金属氧化物或金属离子掺杂，虽能够显著降低带隙能级，实现TiO2的可见光激发，但掺杂元素无论是作为填隙原子，还是作为置换晶格原子，实际上都是在TiO2的晶粒中增加了电子一空穴复合，大多数载流子在分离、捕获、迁移和扩散到表面过程中，大部分被这些点位复合了，虽然TiO2有了可见光活性，但同时也显著降低了TiO2在紫外光下的催化活性。4 TiO2光催化剂的结构和性能表征4.1 TiO2光催化剂的XRD表征利用XRD技术，

34、可以获得生成物的晶型，微粒尺寸等数据。以下为用微乳液法在600和700不同烧结温度下制成的TiO2的XRD 图。从这些图中可以看出，在600700下焙烧的TiO2样品均为锐钛矿型，还没有出现金红石晶型。并且各个样品的颗粒尺寸均为纳米级的。只不过在较高温度下出现了部分团聚使尺寸显得较大。温度低时尺寸则相对较小。因此本实验中选择600作为烧结温度是合适的。 图2 600下烧结的TiO2样品 图3 700下烧结的TiO2样品4.2 TiO2光催化剂的热重分析烧结温度对于TiO2光催化剂的制备有非常重要的作用。由于制得的超细TiO2有很大的表面能，若烧结温度太高，纳米级的微粒将发生团聚，从而使颗粒尺寸

35、加大，这样就无法得到超细颗粒。并且对于超细TiO2来说，过高的温度将导致TiO2从锐态矿型向金红石型转化，而后者几乎没有催化活性，TiO2的光催化活性基本上是通过锐态矿的活性表现出来的。而当烧结温度较低时，残留在TiO2表面的有机物（如表面活性剂）炭化燃烧后还可能未完全除净。而且较低的温度不利于TiO2颗粒充分地转化为锐态矿型，即不利于晶型转化。从TiO2的前驱体的TG-DTA曲线（图3）也可以看到，在500有一吸热峰，正是前驱体脱水后颗粒发生晶型转化吸热形成的。因此在500时，所得的粉末还有未晶化的部分。而只有晶化的锐态矿TiO2才有光活性，因此500温度下获得的粉末催化剂活性也相对较低。并

36、且从图中可以看到，在600700之间，烧制的样品具有相对较好的光催化活性。这是因为在这样的温度下，不仅颗粒充分转化为锐态矿型，而且颗粒之间没有太大的团聚。图4，微乳液法制备的TiO2前驱体的TGDTA曲线因此本实验确定微乳液法作为制备光催化剂的方法，并且选600作为处理前驱体的烧结温度。4.3 TiO2光催化剂的红外光谱表征以下是在600制备的纯TiO2与掺Fe3+比例为0.9，1.8，3.6%的TiO2的红外光谱图。这些图谱中都显示出TiO2红外光谱特征在400600cm-1区间有较强的吸收峰，并且不论掺杂比例的不同，获得的图谱与纯样的非常相近。而只有处于表面的原子悬键与红外光谱有关的振动,

37、才能产生强的吸收谱带,而体相原子则不能产生这种作用。因此说明掺杂制备的样品，掺杂离子有效地进入了TiO2的晶格中，而没有形成表面包覆。 图5 纯TiO2的红外光谱 图6 掺Fe3+比例为0.9%的TiO2 的红外光谱 图7掺Fe3+比例为1.8%的TiO2的红外光谱 图8 掺Fe3+比例为3.6%的TiO2 的红外光谱5 化学实验数据和图形的计算机处理5.1 化学实验数据的计算机处理化学中的数据处理多种多样，对不同的数据处理可以采用不同的软件完成。通用型的软件如：Origin等可以根据需要对实验数据进行数学处理、统计分析、付立叶变换、t-试验、线性及非线性拟合；绘制二维及三维图形如：散点图、条

38、形图、折线图、饼图、面积图、曲面图、等高线图等。下面以Origin为例对以下数据加以分析说明。5.1.1利用Origin对掺杂TiO2光催化剂进行二维图的绘制1：在掺杂TiO2光催化剂的制备与性能研究中，制备了掺入不同比例（以摩尔分数计）Fe3+、Co2+、Ni2+杂质金属离子的TiO2光催化剂，利用这些催化组分进行光催化分解甲基橙实验，结果如下表：掺杂比例（%）01.21.72.43.33.84.44.64.9Fe3+分解率（%）34.236.344.839.838.235.935.735.435.2Co2+分解率（%）34.235.441.238.938.538.130.926.524.6

39、Ni2+分解率（%）34.233.931.531.327.826.525.424.322.8 表1掺杂组分对光催化分解甲基橙的实验数据 以掺杂比例为横坐标，分解率为纵坐标，绘制三种掺杂TiO2光催化剂的工作曲线。将数据录入Origin工作表格，选中所图9 数据录入点击绘图栏中的Line+Symbol， 得到连线图形。将鼠标放在掺Fe3+的工作曲线上，单击右键，选择Plot Details，更改连线类形和工作曲线的其他参数；将鼠标放在Co2+的工作曲线上，单击右键，选择 Set As Active，将其激活，然后再单击右键，选择Plot Details，更改连线类形和工作曲线的其他参数, 同理可

40、更改Ni2+工作曲线的属性。点击X轴、Y轴可以更改坐标轴的属性。 图10 掺杂比例图形绘制2：测量不同焙烧温度对纳米TiO2光催化剂的粒径和光催化性能的影响，以不同焙烧温度下TiO2光催化剂的粒径和对甲基橙的分解率为例进行实验焙烧温度 （）450500550600650700750800 粒径 （nm）15.315.916.116.318.420.722.122.5 分解率 （0/0）16.219.827.734.235.030.122.311.9表二焙烧温度、粒径对光催化分解甲基橙的实验数据以焙烧温度为横坐标，粒径为第一纵坐标，分解率为第二纵坐标，绘制双Y曲线。将数据录入Origin工作表格

41、，选中所有数据 图11 数据录入点击绘图栏中的Double Y Axis即生成双Y轴图形, 其中左边Y轴代表粒径大小，右边Y轴代表分解率。更改曲线属性可以改变曲线的类形。点击X轴、Y、Y轴可以更改坐标轴的属性图12 双Y轴图形5.2 化学实验数据的计算机处理具有化学绘图功能的软件很多，它们各有所长，其功能主要是描绘化合物的结构式、化学反应方程式、化工流程图等化学常用图形的绘制。Chem Sketch、Chem Office、Chem Windows、ISIS/Draw等较为常见。下面以Chem Sketch为例加以说明。5.2.1利用Chem Sketch绘制光催化剂的化学结构式以及反应机理方

42、程式1:二氧化钛（TiO2）化学结构式的绘制图13 二氧化钛（TiO2）化学结构式2：二氧化钛（TiO2）光催化反应机理化学方程式图14 二氧化钛（TiO2）反应机理方程式将上述方程式导入Word文档及以下反应方程式TiO2+hv(Eg) h+ + e- (1)H2 O + h+ OH + H+ (2)OH- + h+ OH (3)O2 + e- O2- (4) H2 O +O2- O2H + OH- (5)2O2H O2 + H2 O2 (6)O2H + H2 O + e- H2 O2 + OH- (7）H2 O2 + e- OH + OH- (8)6 总结 光催化最富成效的工作是在工业废水

43、的处理及室内空气污染净化方面的应用。现今，光催化研究已经与环境科学相互渗透、融合，形成一个新的分支科学环境光催化。环境污染处理虽已形成了许多方法，如生化法、反渗透法及物理法等，但这些方法投入大、处理周期长、降解率低，特别是对非生物降解的有毒、有害物质等无能为力，而光催化就能除去这些污染物。因此这方面的研究发展一开始就受到科学家们的高度重视，故称这一研究为“阳光工程”。 总之，纳米二氧化钛（TiO2）作为一种新型的光催化剂显示出巨大的潜在优势。虽然我国纳米二氧化钛的制备技术已经很多，但大多仍停留在实验室制备，还不能放大到工业生产中。而且很多方法都采用昂贵的钛醇盐作为钛源，应该尽量降低成本，使用廉

44、价的无机钛盐作为原料。所以未来制备工艺的发展方向应以降低成本、提高分散性、表面改性为重点。国内外的纳米二氧化钛的需求量越来越大，今后，应抓住机遇，利用我国丰富的钛资源，开发出适合我国国情，能够工业化生产的新的制备工艺。7 参考文献1范崇政，肖建平，丁延伟纳米TiO2的制备与光催化反应研究进展M科学通报，20032黄仲涛，耿建铭.工业催化第二版北M.北京:化学工业出版社，20063朱可俊，丁云杰.新型固载均相催化剂M.分子催化，20034刘维桥，孙桂大编著.固体催化剂实用研究方法M.北京：化学工业出版社20005辛勤主编.固体催化剂研究方法M.北京：科学出版社，20046张继光主编.催化剂制备过

45、程技术M.北京：中国石化出版社，20047冯天英，殷月辉，王俊文纳米TiO2的制备及催化性能研究M太原技术，20038继进，陈宗璋，何丽萍纳米氧化钛的制备、表征及应用研究M功能材料，20029胡娟，邓建刚，何水样纳米级二氧化钛制备方法的比较研究M材料科学与工程，200110孙锦宜，林西平.环保催化材料与应用M.北京：化学工业出版社，200211Hickner M A,et al.Applied Catalysis A，2004, 265：20721912Libby B, Smyrl W H, Cussler E L.AIChE J,2003, 49:991100113Roberts M W.

46、Catal Letter, 2000, 67 (1):16514Li Hexing, Xu Yeping. Liquid phase benzene hydrogenation to cyclohexane over modified Ni-P amorphous catalysts. Materals Letters, 2001, 51 (5):1011078 致谢本次结业论文设计使我了解到未来专业课的学习与计算机关系密切，利用好计算机资源将大大提高我们专业课学习的效率，同时利用计算机也可以解决一些我们手工无法解决的专业课重点、难点。所以在今后的学习过程中我要将专业课学习与计算机学习结合起来，已期达到事半功倍的效果。同时在本次结业论文的设计过程中，本人（曹正洋）得到了王老师的精心指导，正是因为王老师提供了大量的资料来源，我才能即时将这一课题设计按时按质完成，在设计编辑过程中我更是深深体味到了王老师的用心良苦。本次实验不仅提升了我的计算机实践水平，更使我将所学的专业知识和计算机知识得以结合运用，快速高质的提高了我的论文写作编辑水平。 在此感谢王震老师在本次结业论文中对我们的悉心指导，本次结业论文编辑必有许多不当之处，请王老师指出，我必将认真改正。第 23 页