1、 1 毕业论文 开题报告 环境工程 不同稀土元素对 TiO2 活性的影响研究 1 选题的背景和意义 1972年，日本学者 Fujishima和 Honda首次在 杂志上发表了关于 TiO2电极上光分解水生 成 H2和 O2的论文，接着 Carey等 1又发现在近紫外光照射下纳米 TiO2可使水中难生化降解的有机化合 物多氯联苯实现完全脱氯，从此 TiO2光催化技术受到 世界各国环境能源研究者的强烈关注。但由于 TiO2的禁带宽度为 3.2eV，只有波长小于 387.5nm的紫 外光才能激发其催化活性，而在到达地面的太阳能中，这 一 波段的能量尚不足 5，且 TiO2量子效率最多不高于 28。因
2、此太阳能的利用效率仅在 1 左右，这就大大限制了对太阳能的利用 。 此外，由于光激发产生的电子与空穴的复合，导致实际光量子效率很低 （ 不到 4 ） ，难以用于处理数量大、浓度高的工业废气和废水。为了克服上述缺点，人们使用了多种手段对 TiO2进行改性，其中包括染料光敏化、贵金属沉积、半导体复合、过渡金属掺杂、稀土元素掺杂、表面超强酸化处理、阴离子掺杂等。 因此 就稀土掺杂对二氧化钛 晶型、晶粒、催化活性等方面的研究 现状做了一个简单的综述，并对其未来的发展方向提出了建议。 TiO2是当前应用最为广泛的无机功能材料之一，在许多领域内都有良好的应用前景。例如太阳能电池、电子陶瓷、湿度传感器、高级
3、涂料、防晒化妆品等 2。随着人们对环境保护的关注， TiO2作为光催化材料一直是近年来材料科学和催化化学研究的热点 3。纳米级的TiO2由于它粒径小，表面活性高，具有独特的小尺寸效应、表面效应和量子效应，成为光催化的首选材料。纳米 TiO2能有效地减少光生电子和光子的复合，增强 TiO2的氧化还原能力。同时纳米 TiO2巨大的表面能，可 以将反应物吸附在其表面，有利于催化反应的进行。而且 TiO2无毒，具有良好的化学稳定性，对许多细菌具有杀菌作用，是环保型催化剂。在所有纳米TiO2制备过程中，团聚始终是一个严重的问题，有关团聚的原因及防止措施都是研究的重点。TiO2主要有三种晶相：锐钛矿相、金
4、红石相和板钛矿相。其中，板钛矿相不稳定，锐钛矿相的能带间隙约为 3.2 eV，当用波长小于 387 nm的光照射时，电子可以从价带激发到导带，从而具有光催化性能，金红石相则因为表面电子一空穴复合速度较快，几乎没有光催化活性 4。 利用太阳能的纳米二氧化钛光 催化降解水处理技术由于采用光纤作为光的传播导体及2 纳米二氧化钛的载体，特别适合利用聚焦比高的点聚焦采集、利用太阳光，可显著降低二氧化钛光催化水处理技术的成本。利用太阳光降解的纳米二氧化钛光催化可大大提高高浓度、有毒 （如农药废水）废水的可生化处理性。 2 相关研究的最新成果及动态 TiO2光催化剂具有化学性质稳定、光学和电学性质优异、光催
5、化活性高等优点 ， 而且价格低廉、无毒 ， 不造成二次污染 ， 在光催化应用研究中倍受青睐 。 特别是在治理环境污染、抗菌和自清洁表面等方面 ， 更受到了极大的关注在纳米 TiO2应用过程中 ， 其 物理化学性质如结晶程度、比表面积、对反应底物的吸附能力、载流子分离能力以及光吸收能力等在很大程度上影响着其光催化氧化分解污染物的能力尽管 TiO2纳米晶、纳米膜和纳米管等的出现扩大了其在光催化领域的应用 6， 但在以 TiO2为基础的光催化技术应用中还存在不尽如人意的地方 TiO2是宽禁带半导体材料 ， 只有在短波的紫外光才能被吸收 ， 太阳能利用率较低因此 ， 改善 TiO2的光催化性能成为了首
6、先要解决的问题 。 在以往的研究中 ， 对 TiO2光催化改性主要是采用离子掺杂 7-8、半导体复合 9、表面沉积金属 10或其它手段 11-12来改善其光催化性能。 稀土金属离子由于其独特的 4f 电子结构 ， 可在 TiO2晶格中引入缺陷或改变结晶度 ， 影响到电子与空穴的复合速率 ， 从而改善 TiO2光催化性能 。 从许多研究看来 ， 不同的稀土掺杂对 TiO2的光催化性能影响不同 ； 同样 ， 相同的稀土元素、不同的掺杂质量百分比对 TiO2的光催化性能影响也不相同。利用溶胶 -凝胶 (Sol-Gel)法制备了相对较少的钕离子掺杂 TiO2纳米颗粒 ， 考察钕离子掺杂对 TiO2的光
7、催化性能影响 ， 并探讨 TiO2光催化机理和掺杂不同量钕离子对 TiO2的光催化性能影响机理 以钛酸丁 酯为前驱体，采用溶胶一凝胶法制备了钆及双稀土元素共掺杂纳米 TiO2光催化剂，研究自制催化剂在可见光下对有机染料 罗丹明 B催化降解反应的活性。稀土掺杂后的 在可见光下催化活性比纯的 Ti有显著的提高。当 Gd+ 与 Ti的摩尔比为 1.5，催化剂经过 500焙烧，对罗丹明 B的降解率达到 99.5； Gd+ ： La3+： TiO2的摩尔比为 0.5： 0.5： 100，焙烧温度为 600 ，降解率高达 99.9，比双元素掺杂的结果更好。 光催化技术可将污染物降解为无毒的无机小分子物质如
8、 CO2， H2O及各种相应的无机离子而实现无害 化。以可见光，特别是太阳光为能源的光催化降解反应，相对紫外光催化作用而言，能更好地满足水治理技术要求，为治理水污染提供了一条新的、更有潜力的途径。在众多纳米半导体光催化剂中， TiO2由于其优异的化学性质，已成为当前应用最广泛的光催化剂。如何充分利用我国丰富的钛和稀土资源，研具有优良光催化活性的 TiO2及其稀土掺杂改3 性催化剂，是催化科学和环境科学领域中值得研究的课题 ， 用 Gd， Gd Y， Gd-Sm和 Gd-La等共掺杂改性纳米 TiO2光催化剂，研究了自制催化剂在可见光下对有机染料罗丹明 B催化降解反应的活性。考察催 化剂在可见光
9、下的催化降解性能，用有机染料罗丹明 B作为模拟反应物。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 31 溶胶 、 凝胶法制备 TiO2及掺杂 TiO2 纳米颗粒室温下，准确量取 10 mL的钛酸丁酯，搅拌下 溶于 80 mL无水乙醇中；加入 0.6 mL的乙酰丙酮，数滴硝酸，调节 pH为 3.3左右，制得 A液；量取去离子水 l5 mL，无水乙醇 20 mL，以及掺杂离子硝 酸盐水溶液混合均匀，制得 B液；在强烈搅拌下，将 B液缓慢滴人 A液中，滴加完毕继续搅拌 1 h，得到稳定、淡黄色、透明溶胶； 溶胶静置陈化 4 d后成凝胶， 100恒温干燥至恒重，将产物研磨
10、过筛，放人马弗炉中，以 1.5 min-1 的速度升温至设定温度(300 ， 400 ， 500 ， 600 ， 700 )进行焙烧，保温 2 h， 随炉冷却，制得 TiO2 及掺杂催化剂。 32 Nd 掺杂 TiO2纳米材料的制备 将 17 mL 的钛酸丁酯与 40 mL 的无水乙醇混匀，标记为溶液 A，置于分液漏斗中将2.5 mL 的 0.1 M 的 Nd(NO3)3溶液加入到 10 mL 冰醋酸、 40 mL 无水乙醇混合液中，充分搅拌 30 min 后得溶液 B；边搅拌边将溶液 A 逐滴 加入到溶液 B 中，滴加完毕后继续搅拌 1 h以形成均匀透明的掺杂有 Nd3+离子的 TiO2溶胶
11、，然后室温下放置陈化，直到形成凝胶；该凝胶于 80 下烘干，碾成粉末；将粉末置于马沸炉中 500 热处理 1 h，得到化学掺杂 Nd为 0.5%的 TiO2纳米粉末材料，记为 0.5%Nd3+- TiO2； 采用相同的方法制备 1.0%Nd3+- TiO2，1.5%Nd3+- TiO2， 1.8%Nd3+- TiO2纯 TiO2的制备方法同上，只是未加入 Nd3+离子所用 Nd3+掺杂均以原子浓度 (Nd/Ti)计算。实验用化学品均为分析纯试剂 ,溶 液的配制使用双重蒸馏水。 3.3 XRD 表征 X 射线衍射仪 X 射线衍射分析 (XRD)表征样品的晶相组成。 分析研究讨论： 4 1、催化剂
12、投加量的影响。 2、起始浓度对光催化活性的影响。 3、光催化降解甲基橙的活性。 4、 XRD 晶相分析。 5、 Nd3+掺杂机理探讨。 4 论文工作进度及安排 1、 2010 年 10 月 20 号 2010 年 10 月 31 号。 通过学校图书馆、网络等方式收集毕业论文的相关资料并确定论文课题。 2、 2010 年 11 月 1 号 2010 年 11 月 30 号。 继续查阅资料，构思论文框架，填写开题 报告，整理实验方案。 3、 2010 年 12 月 1 号 2011 年 3 月 30 号。 完成实验、并完成其他材料如外文翻译等等。 4、 2011 年 4 月 1 号 2011 年
13、4 月 30 号。 完善补充实验数据，撰写毕业论文。 5、 2011 年 5 月 1 号 2011 年 5 月下旬。 修改和完善毕业论文，准备答辩。 5 参考文献 1叶国梁 .二氧化钛的制备及其在环保领域的应用 J.厦门大学报 ,2010,10(2):105-108. 2高濂 ,郑珊 ,张青红 .纳米氧化钛光催化材料及应用 (第一版 )M北京 ,化学工业出版社，2002： 1-9 . 3 董鲁艳 .超细二氧化钛的制备与应用 .山东大学 ,化学工程 J.2008 4 叶国梁 .二氧化钛的制备及其在环保领域的应用 .厦门大学 ,化学工程 J.2009 5 钱东 ,闫早学，石毛等 .溶胶凝胶法制备
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