自1972年日本科学家Fujishima和Honda发现TiO2单晶电极可以实现光催化分解水以来,半导体光催化反应就一直强烈吸引着人们的研究兴趣。在各种氧化物半导体光催化剂之中,TiO2因其生物和化学惰性、强氧化能力、无毒性和抗光化学腐蚀的长期稳定性而被广泛研究。但是,从利用太阳光的效率来看TiO2还存在两方面主要缺陷:一方面由于TiO2的带隙较宽(E=3.2 eV),导致其光吸收波长范围较窄,利用太阳能的比例较低;另一方面TiO2光生载流子的复合率较高,导致其量子效率较低。为了解决这些问题,发展起了半导体光催化技术研究的两个前沿领域:(1)通过修饰改性技术来提高TiO2对太阳光的利用效率;(2)开发具有可见光响应的新型半导体光催化剂。
　　 在此基础上,本论文主要研究了金属离子掺杂二氧化钛和钨酸铋纳米材料的制备及光催化性能的表征。其主要内容包括:
　　 采用化学溶液分解法制备了Al掺杂的TiO2纳米材料,并对其进行了酸化处理。利用XRD、TEM和UV-Vis等技术手段对Al掺杂TiO2纳米材料的晶相结构、颗粒形貌和光物理性质等进行了表征。XRD结果表明,未掺铝样品在550℃热处理2 h下得到的是金红石和锐钛矿的混合相,而在掺入铝之后,同样的热处理条件下得到的样品却是纯的锐钛矿相。通过TEM观察发现,与未掺铝的样品相比,掺铝之后样品的颗粒尺寸较小,约为25 nm。利用甲基橙的光催化降解实验表征了样品的光催化性能。结果表明:掺Al的TiO2样品有较好的光催化活性,并且在酸化处理之后,掺铝样品的光催化活性能得到进一步提高。初步探讨认为,酸化处理除去了铝掺杂样品中的部分氧化铝纳米颗粒,使得样品的比表面积增大而引起了Al掺杂TiO2样品光催化活性的提高。
　　 采用化学溶液分解法制备了Fe掺杂的TiO2纳米材料,并对其进行了酸化处理。XRD结果表明,Fe掺杂的TiO2样品在500℃热处理下得到的是金红石和Fe2TiO5的混合物。而在600℃热处理下得到的却是金红石、Fe2TiO5和Fe2O3的混合物。并且随着热处理温度的升高,样品的结晶性变好。紫外可见漫反射谱图显示,分别在500℃和600℃热处理下得到的Fe掺杂TiO2样品均对可见光具有吸收响应。与500℃热处理下得到的Fe掺杂TiO2样品相比,600℃热处理下得到的样品在吸收带发生了明显的红移。利用染料罗丹明B的光催化降解实验表征了材料的光催化性能。结果表明:Fe掺杂TiO2样品对罗丹明B具有可见光催化活性,而酸化处理对铁掺杂样品的光催化活性影响不大。
　　 采用化学溶液分解法制备了层状钙钛矿结构氧化物Bi2WO63光催化剂,并对其进行了酸化处理。XRD结果显示,在700℃热处理下制备的样品由主产物(Bi2WO6)和副产物(Bi14W2O27)两种物质组成。热处理样品在酸化处理以后,Bi14W2O27的衍射峰完全消失并且纯相的Bi2WO6样品被获得。通过ICP对酸化样品的上清液检测分析,纯相Bi2WO6样品获得的机理最可能是酸化处理选择滤去了Bi14W2O27结构中的氧化铋,从而使Bi14W2O27完全转化成了Bi2WO6。SEM图显示,在酸化处理温度为70℃时,得到的样品的形貌为纳米尺寸的片状结构。紫外可见漫反射谱图显示酸化前后样品均对可见光具有吸收响应。通过染料罗丹明B的光催化降解实验发现,酸化处理可以提高Bi2WO6的光催化活性,而且在70℃酸化处理下得到的纳米片状的Bi2WO6样品的光催化活性最高。