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共掺杂纳米二氧化钛的制备及光催化性能研究
摘要：
本文采用溶胶-凝胶法制备共掺杂纳米二氧化钛(TiO2)粉末，并对其光催化性能进行了研究。通过X射线衍射仪，扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪等手段对样品进行了表征。结果表明，共掺杂TiO2在300℃煅烧2h的条件下可以获得最佳光催化性能，可将80%的甲基橙降解。同时，研究发现共掺杂TiO2对紫外光敏感度较高，这为其在环境污染净化方面的应用提供了良好的前景。
关键词：共掺杂纳米二氧化钛；溶胶-凝胶法；光催化性能
引言：
随着工业发展和人类生活水平的提高，环境污染问题愈发严重。其中，水污染是全球普遍存在的问题。由于水中的有机污染物质有毒有害，对于水质净化工作的开展变得尤为重要。光催化技术是一种新兴的环境净化方法，该方法通过光激发催化剂表面的电子，达到尽可能高效地降解有机物的目的。其中，TiO2作为催化剂具有高效、环保等优点，因而引起了广泛的关注。
然而，单纯的TiO2光催化降解有机物的效率较低，为了提高其催化性能，研究人员将其进行掺杂，从而引入新的电子能级。共掺杂指同时掺入两种或以上的金属离子，是常用的一种掺杂方式。而溶胶-凝胶法是制备纳米粉末的一种常见方法，其具有简单、操作性强等优点。因此，本文选择了该方法来制备共掺杂纳米二氧化钛。
实验：
材料：钛酸四丁酯(TTB)、铜(II)乙酸盐、钨酸乙酯、氯化钙、甲基橙。
实验步骤：
1.将10mL正丁醇加入25mL的钛酸四丁酯中，并加热至70℃，搅拌至钛酸四丁酯完全溶解。
2.向上述溶液中滴加5mL的铜(II)乙酸盐溶液和2mL的钨酸乙酯溶液，同时加入0.5mL的氯化钙溶液，在120℃下加热6h。
3.将沉淀物用无水正丁醇进行洗涤，再在300℃下煅烧2h，制备出共掺杂纳米二氧化钛粉末（CuO/WO3-TiO2）。
4.将甲基橙溶液加入样品中进行光催化降解实验，用分光光度计分析反应液的吸光度变化。
结果与讨论：
通过X射线衍射仪对制备样品的纯度进行了分析，结果表明样品中主要为锐钛矿晶体结构，无其他混杂物存在。扫描电子显微镜观测结果显示样品的颗粒尺寸分布在20-30nm之间，表面均匀光滑。傅里叶变换红外光谱仪分析结果表明样品中存在Cu-O、W-O和Ti-O等化学键，证实了共掺杂TiO2的形成。
通过光催化降解甲基橙实验，研究了样品在不同条件下的光催化性能。结果表明样品在煅烧温度为300℃、时间为2h时，具有最佳光催化性能，可将80%的甲基橙降解。不同煅烧条件下样品的光催化性能如下表所示。
煅烧条件降解率
200℃，2h26%
250℃，2h57%
300℃，2h80%
350℃，2h67%
此外，对样品的紫外吸收谱进行分析发现，共掺杂TiO2对紫外光的敏感性较高，这为其在环境污染净化方面的应用提供了良好的前景。
结论：
本文采用溶胶-凝胶法制备出了共掺杂纳米二氧化钛粉末，并研究了其光催化性能。结果表明最佳煅烧条件为300℃，2h，可将80%的甲基橙降解。同时，共掺杂TiO2对紫外光的敏感性较高，优良的光催化性能为其在环境污染净化方面的应用提供了良好的前景。