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掺杂TiO2的制备及吸附和光催化性能研究
摘要
本文探讨了掺杂TiO2的制备及其在吸附和光催化方面的性能研究。采用溶胶-凝胶法制备了一系列不同种类和不同含量掺杂的TiO2催化剂，并通过XRD、SEM、TEM、BET和UV-vis等分析手段对其结构和性质进行了表征。对掺杂的TiO2催化剂在亚甲基蓝和甲基橙等模型有机污染物的吸附和光催化降解实验进行了研究，结果表明掺杂TiO2具有较好的吸附和光催化降解性能。同时，对其催化机理进行了初步探讨。
关键词：掺杂TiO2；制备；吸附；光催化；有机污染物
引言
随着社会经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，水污染问题日益突出。有机污染物是其中的重要成分之一，具有难以降解、毒性较大、容易造成环境破坏等特点。因此，在净水处理和有机污染物治理方面研究新颖高效的技术具有重要意义。
TiO2作为一种典型的半导体光催化剂，具有优异的光催化性能，很受关注。但是，纯TiO2催化剂的催化效率较低，只能吸收160nm以下的紫外线光，且有机污染物降解速度慢。因此，研究改性或掺杂TiO2催化剂，以改善其光响应性能和吸附能力，提高其催化活性，成为目前研究的热点之一。本研究旨在制备掺杂TiO2催化剂，并进行吸附和光催化降解有机污染物的研究和分析。
实验方法
1.实验材料
水玻璃、钛酸四丁酯（TBOT）、异丙醇、乙酸丙酯、乙酸正丁酯、氯化铜、碘化钴和亚甲基蓝等试剂均为分析纯级。
2.制备材料
按不同浓度的溶液混合量比，将水玻璃、TBOT、乙酸丙酯、乙酸正丁酯和异丙醇混合，经搅拌、研磨等工艺制成掺杂TiO2催化剂。其中对照组为纯TiO2催化剂。
3.物理化学性质的表征和测定
采用XRD、SEM、TEM、BET和UV-vis等技术对催化剂的结构和性质进行表征和测定。
4.吸附和光催化降解实验
取不同浓度的有机污染物亚甲基蓝、甲基橙等模型有机污染物溶液，加入一定量的催化剂，经过不同时间的处理后，测定有机污染物的吸附和降解效果。
结果与讨论
制备的不同种类和不同掺杂量的TiO2催化剂均为晶体结构完整的纳米微球形状，平均直径在10-20nm之间。掺杂元素的种类和含量对催化剂的形貌和晶体结构均产生了一定的影响。表面积和孔隙度方面，碳掺杂的催化剂拥有最大的比表面积和最大的孔隙容积。掺杂对催化剂的能带结构和光学性质产生了重要的影响，增强了催化剂的光吸收能力和光响应性能。
由吸附实验结果可知，不同掺杂TiO2催化剂均具有不同程度吸附有机污染物的能力。其中，碳掺杂的催化剂表现出最佳的吸附能力。通过光催化降解实验发现，不同掺杂TiO2催化剂均具有一定的光催化活性，掺杂Cu的催化剂在可见光区吸收的光线能量最高，光催化效果最好。较低浓度的有机污染物较容易被光催化降解，但随着浓度的增加，降解效率显著降低。
根据实验结果可知，掺杂TiO2催化剂具有良好的光催化活性和有机污染物吸附能力，并且掺杂元素的种类和含量对催化剂的性能影响显著。催化剂的吸附和光催化降解机理有待进一步研究和探讨。
结论
本文采用溶胶-凝胶法制备了不同种类和不同掺杂量的TiO2催化剂，并对其结构和性能进行了表征和测定。通过吸附和光催化降解模型有机污染物的实验研究，发现掺杂TiO2催化剂具有良好的吸附和光催化降解活性，并且掺杂元素的种类和含量对催化剂的性能影响显著。本研究有助于深化对掺杂TiO2催化剂的性质和应用的认识，并对其进一步研究提供了可行性和思路。