摘 要

TiO₂光催化剂由于其自身的优良特性，在有机污染物的降解研究中越来越受人关注。虽然以TiO₂半导体为基础的光催化技术还存在着量子效率不高，太阳能利用率低下等技术难题；但是TiO₂光催化技术作为一种绿色、节能、洁净的技术在污染物治理，光分解水制氢，抗菌环保等方面起到的作用是不可忽略的^[1]。本实验采用水热法制备V₂O₅微球，通过表面改性在微球表面修饰不同百分含量的TiO₂， 制备TiO₂修饰V₂O₅复合纳米微球，V₂O₅能扩宽TiO₂的光响应范围，使TiO₂的吸光区域由紫外光区拓宽至可见光区，从而达到提高复合微球的光催化效率的目的。采用XRD，FESEM，TEM对制备产品进行形貌和结构的表征，测量TiO₂修饰量催化剂的催化效率。

关键词： V₂O₅微球；TiO₂；光催化；修饰；

Abstract

Titanium dioxide (TiO₂) has been attracting more and more attention in the research of degradation of organic pollutants by its excellent characteristics.But the photocatalytic technology based on TiO₂ semiconductor has some technology problems such as low quantum efficiency,low utilization rate of solar energy.Recently,much attention has been focused on the preparation of TiO₂ nanomaterials with designed nanostructure due to their attractive potentials in many promising fields such as highly efficient photocatalyst and low cost photovoltaic dye-sensitized solar cell.As a photocatalyst,it has a very significant ground effect used for degrading of the organic matter,pollution abatement and so on.Vanadium pentoxide microspheres with nanometer size were prepared by Hydrothermal method,a surface modification by modifying the surface of the microspheres with different percentages of titanium dioxide to prepare Vanadium-titanium composite nanospheres catalyst. Vanadium pentoxide can extend the range of the optical response of titanium dioxide,titanium dioxide absorbance region ranging from ultraviolet to visible light by a widening area,thereby increasing the composite microspheres utilization of solar energy. Using XRD, FESEM, TEM characterizes the morphology and structure of prepared product, to find the catalytic efficiency of vanadium mixed catalyst.

Key words: vanadium pentoxide; titanium dioxide; photocatalysis; modifying;

目 录

1.1 引言 1

1.2 光催化现状 1

1.3 TiO₂的结构与性质 2

1.4 TiO₂的光催化作用机理 4

1.5 TiO₂光催化剂的制作方法 5

1.5.1 气相冷凝法 5

1.5.2 高能球磨法 5

1.5.3 溶胶-凝胶法 6

1.5.5 水热法 6

1.6 TiO₂光催化剂的局限性 6

1.7 TiO₂课题研究的目的和内容 7

第2章 TiO₂修饰V₂O₅复合纳米微球的制备与表征方法 8

2.1 引言 8

2.2 实验主要原料与设备 8

2.2.1 实验主要原料 8

2.2.2 实验主要设备 8

2.3 实验方法 9

2.3.1 V₂O₅微球载体的制备 9

2.3.2 TiO₂修饰V₂O₅的制备 10

2.4 TiO₂修饰V₂O₅催化剂的结构表征 11

2.4.1 物相分析 12

2.4.2 形貌分析 12

2.4.3 元素成分分析 12

2.5 TiO₂修饰V₂O₅催化剂的性能分析 12

第3章 TiO₂修饰V₂O₅纳米微球的结构与性能分析 14

3.1 TiO₂修饰V₂O₅纳米微球的结构分析 14

3.1.1 XRD分析 14

3.1.2 FESEM分析 15

3.2 TiO₂修饰V₂O₅纳米微球催化剂的性能分析 18

3.2.1紫外可见漫反射光谱分析（UV-vis） 18

3.2.2V₂O₅/TiO₂复合材料的光催化性能分析分析 19

3.3 小结 23

第4章 结论与展望 24

4.1 主要结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1引言

自从20世纪70年代首次发现TiO₂电极具有在光照射条件下可以分解水的能力以来，以TiO₂及相关材料为核心的光催化研究逐渐成为了一个热门的科研项目。因为TiO₂对很多有机物有很强的物理吸附性及较高的催化氧化活性，所以它在环境污染治理方面逐渐担任起重要的角色，并被广泛用于制备各种复合材料来处理多种有机污染物^[2]。近年来，TiO₂逐渐成为了最具发展前景的一种绿色环保型光催化剂。但是TiO₂中存在电子，在紫外光刺激下容易与自身空穴发生复合，导致光催化效率很低。TiO₂的禁带宽度(约3.12eV)，只能在紫外区显示光化学活性，对太阳能的利用率小于10%，远远达不到工业要求。因此增大光催化剂的光谱响应范围和提高催化效率成为了改进TiO₂光催化技术的关键。

为了改善TiO₂的光催化性能，采用多种技术对TiO₂进行掺杂或表面处理已有报道，如在TiO₂表面进行贵金属沉积^[3]、复合半导体修饰、过渡金属离子掺杂等，其中半导体复合是一种十分有效的方法。利用能带宽度不同但又相近的两种或者多种半导体进行复合，不仅可以使光生载流子在能带宽度不同的半导体之间传递，而且还能达到促进系统电荷分离，延长载流子寿命，提升量子利用率的效果，从而提高TiO₂的光催化效率。因此，进一步研究半导体复合TiO₂材料，提升TiO₂的光催化性能，扩大其应用范围具有十分重要研究意义。

1.2光催化现状

自上个世纪初，实现规模化生产以来，TiO₂就在陶瓷、不锈钢、纤维、无织布等各种日常用品的生产领域得到了大规模的应用。1972年，科学界首次发现了TiO₂电极在紫外光照射下可以催化分解水的现象，这引起了科学家们的广泛关注。后来有发现了TiO₂对有机物的氧化有催化作用，从此更多的学者开始研究TiO₂材料，并加速了TiO₂的研究进程，使得TiO₂的应用领域拓展到光电、光催化和传感等更多的高科技领域，得到了大大的加宽。这些应用领域大致可分为“能源”和“环境”两个核心领域，而这正是时下人们最关心的方面。