【2021-2021年整理】N掺杂纳米TiO2可见光催化剂的制备及其性能研究-光催化开题报告

【2021-2021年整理】N掺杂纳米TiO2可见光催化剂的制备及其性能研究-光催化开题报告河南理工大学本科毕业设计开题报告题目名称N掺杂纳米TiO2可见光催化剂的制备及其性能研究学生姓名---班级无机非12-4学号---一、选题的目的和意义光催化降解技术作为一种新型的环境治理技术，在一定的条件下可将水中的有机污染物氧化为CO2和H2O等简单无机物，避免二次污染，在有机废水和工业废水处理以及生活用水的治理和新能源的开发利用等方面展现出广阔的应用前景。纳米二氧化钛（TiO2）是一种受到广泛关注的绿色环保材料，其光催化活性高、化学性质稳定、价格低廉而被广泛研究和应用。本实验以钛酸四丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，冰醋酸为抑制剂，采用溶胶-凝胶法来制备纳米TiO2催化剂研究了TiO2样品在煅烧过程的相变，考察了焙烧温度和焙烧时间对纳米TiO2的晶型、晶粒大小、比表面积和催化活性等性质的影响，从而确定了纳米TiO2的最佳制备工艺条件。TiO2光催化技术在环保领域有着良好的市场前景和.经济效益。但该领域中还存在着诸多问题需要探讨，首先是纳米TiO2光催化剂的制备工艺问题。目前制备纳米TiO2的方法主要分为气相法和液相法。常用气相法包括四氯化钛气相氧化法，真空蒸发-冷凝法，四氯化钛氢氧火焰法，气体燃烧法；液相法包括沉淀法，水热和溶剂热法，微乳液法以及溶胶-凝胶法。本文通过溶胶-凝胶法制备出TiO2纳米粒子，以钛酸四丁酯为钛源，无水乙醇为溶剂，冰醋酸为抑制剂，经过水解和缩聚形成溶胶，再进一步缩聚得到凝胶，经陈腐、干燥和煅烧除去有机成分后得到纳米TiO2粉体。该法制备的纳米TIO2纯度高，煅烧温度低，反应容易控制，副反应少，工艺操作简单而具有可操作性。其次就是纳米TiO2在实际应用中的局限性。TiO2虽然具有化学稳定性、抗光腐蚀性、安全无毒、价格低廉和较强的光催化能力，但是TiO2的光响应范围窄：TiO2的禁带宽度为3.2eV，能吸收波长为387nm的光波，对于波长超过400nm的可见光不产生响应，而紫外光占太阳光谱中的比例不足5%，而TiO2的量子效率不足20%，因此TiO2对太阳光的吸收效率不足1%，使他的应用范围受到很大的限制。并且由于在紫外光照射下，半导体TiO2光催化剂中激发后产生的光生电子—空穴对在迁移至TiO2的催化剂表面前会重新复合，使其催化效率降低。所以科学家围绕TiO2纳米材料掺入其他物质以提高催化剂的光稳定性和热稳定性。常用的TiO2改性的方法包括金属离子掺杂、非金属离子掺杂、半导体复合、双元素共掺等。本实验通过以NHNO3为N源通过溶胶凝胶法掺杂TiO2粒子，然后通过光降解模拟污染物罗丹明B溶液，研究N掺杂对纳米TiO2光催化活性的影响，并最终确定最佳的掺杂比例和焙烧温度及时间，探讨N掺杂对TiO2纳米晶形貌和光催化活性的影响。二、毕业设计（论文）所用的方法一．实验可行性分析1.原料可行性分析：冰醋酸，钛酸丁酯，无水乙醇，蒸馏水，硝酸铵等。2.实验条件可行性分析：实验过程中需要用到旋转蒸发器，升降恒温水浴锅，精密增力电动搅拌器，磁力搅拌器，台式离心机，超声清洗器，丝网印刷机，电子天平，电热恒温鼓风干燥箱等，实验室具备这些实验仪器。二．实验过程1.用溶胶凝胶法配置不同掺合比的纳米TiO22.样品称量后在不同温度和时间下焙烧3.样品的光分析4.XRD测定5.性能测试与分析三、结果与讨论1.利用XRD对纳米晶进行分析：分析所制备的样品是否有晶型，以及有什么样的晶型；2.光照15分钟到90分钟范围内，白光测定该样品的光催化效果几乎是紫光测定时的两倍。白光测定时的降解率可以高达接近90%左右。由于白光较紫光更接近于太阳光，所以这个实验研究对更大程度的利用太阳光意义重大。四、主要参考文献与资料[1]谢昆，陈星，付川，祁俊生.纳米技术在水污染控制中的应用[M]，2021.7,63~80；[2]周武艺，曹庆云，唐绍裘提高纳米TiO2可见光光催化活性研究的进展[J].硅酸盐学报,2021,34(7):861-866；[3]赵翠华，陈建华，龚竹青半导体TiO2的光催化性能及其应用[J].工业催化，2021,12:14-20；[4]施利毅.《纳米材料》[M].华东理工大学出版社.2021:1-5[5]ChristopheJ.Barbe，FrancineArendse，PascalComte，MarieJirousek，FrankLenzmann,ValeryShklover，andMichaelGra¨tzel，NanocrystallineTitaniumOxideElectrodesforPhotovoltaicApplications，JournaloftheAmericanCeramicSociety，1997.[6]HaraK.，TachibanaY.，OhgaY.，ShinpoA.，SugaS.，SayamaK.，SugiharaH.，ArakawaH.，Dye-sensitizednanocrystallineTiO2solarcellbasedonnovelcoumarindyes，Sol.EnergyMater.Sol.Cell，2021，7（1）:89-103.[7]WangP.，ZakeeruddinS.M.，Humphry-BakerR.，MoserJ.E.，Gr?tzelM.，Molecular-scaleinterfaceengineeringofTiO2nanocrystals:improvingtheefficiencyandstablilityofdye-sensitizedsolarcells，Adv.Mate.2021，15（24）:2101-2104.[8]NareshC.SahaandHadandG.Tompkins.Titaniumnitrideoxidationchemistry:Anx-rayphotoelectronspectroscopystudy.J.Appl.Phys.,1992,72(7):3072-3079五、指导教师审批意见指导教师：（签名）年月日