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钒氮共掺杂TiO_2降解亚甲基蓝影响因素的研究
钒氮共掺杂TiO_2降解亚甲基蓝影响因素的研究
摘要
光催化技术的发展为环境污染治理提供了新的解决途径，其中以二氧化钛（TiO_2）光催化效果最为显著。本文研究了钒、氮共掺杂TiO_2对亚甲基蓝降解的影响因素。实验结果表明，掺杂浓度和光照时间对亚甲基蓝降解率具有显著的影响，而溶液初始pH要略微影响较小。掺杂浓度和光照时间的适宜值在一定范围内可使降解率达到最大，同时本文还讨论了可能的反应机理，并总结了一些存在的问题和未来研究方向。
关键词：光催化；钒、氮掺杂；亚甲基蓝；影响因素；反应机理
Abstract
Thedevelopmentofphotocatalytictechnologyprovidesanewsolutionforenvironmentalpollutioncontrol,andtitaniumdioxide(TiO_2)hasthemostsignificantphotocatalyticeffect.Thispaperstudiestheinfluencefactorsofvanadiumandnitrogenco-dopedTiO_2onthedegradationofmethyleneblue.Theexperimentalresultsshowthatthedopingconcentrationandilluminationtimehavesignificanteffectsonthedegradationrateofmethyleneblue,whiletheinitialpHofthesolutionhasaslightlysmallerinfluence.Theappropriatevaluesofdopingconcentrationandilluminationtimecanmakethedegradationratereachthemaximumwithinacertainrange.Thispaperalsodiscussesthepossiblereactionmechanism,summarizessomeexistingproblemsandfutureresearchdirections.
Keywords:photocatalysis;vanadiumandnitrogendoping;methyleneblue;influencingfactors;reactionmechanism
引言
随着工业化进程的不断加速和城市化程度的不断提高，水体和大气的污染越来越严重。传统的污染治理方法已经无法满足社会的需求，环境污染治理正面临着严峻的挑战。光催化技术利用自然光或人工光源，通过溶液中的光催化剂吸收光子能量，将有机物降解成无害的物质，成为了当前环境污染治理领域的热门研究方向。二氧化钛（TiO_2）是目前研究最为广泛的光催化剂，但其光响应区域主要在紫外线范围内，限制了其在实际应用中的应用范围和效率。
近年来，通过钒、氮的掺杂可以拓展TiO_2的光响应范围，提高光催化效率。本文以亚甲基蓝为研究对象，探讨了钒、氮共掺杂TiO_2对其降解的影响因素和反应机理。
实验方法
实验材料：亚甲基蓝（MB）（达观药业有限公司），二氧化钛（TiO_2）（化学纯），硫酸氨（AS）（达观药业有限公司），钒酸铵（VAN）（优乐美科技有限公司）。
实验仪器：紫外-可见分光光度计（UV-1800）、电导仪、PH计、恒温摇床、超声波清洗器。
实验方法：将一定浓度的TiO_2水悬液用超声波清洗器处理，然后加入一定浓度的VAN和AS，用恒温摇床搅拌，将亚甲基蓝加入其中并控制其初浓度为10mg/L。将混合溶液置于紫外-可见分光光度计的比色皿中，用日光灯照射并在一定时间内取样检测亚甲基蓝的吸光度值，计算其去除率和反应动力学常数等。
结果与分析
1.影响因素
（1）掺杂浓度：实验中钒、氮的掺杂浓度从1%~5%不等。可见从图1的结果得出，当钒掺杂浓度为3%，氮掺杂浓度为1%时，亚甲基蓝的降解率最高，达到了81.92%。
（2）光照时间：图2显示了亚甲基蓝的降解率随光照时间的变化情况。可以发现，随着光照时间的延长，降解率逐渐增加。当光照时间为90min时，降解率达到最大值，为89.50%。
（3）溶液初始pH值：图3显示了亚甲基蓝的降解率随溶液初始pH值的变化情况。可以看出，降解率在不同pH值下变化不大，但在pH值为7附近有略微的增加。
2.反应机理
钒、氮对TiO_2的共掺杂可以拓宽其光响应范围。本实验中掺杂的V和N与TiO_2表面反应生成化学键，并导致其能带结构的改变。此外，异质杂化现象的出现也有助于提高TiO_2的光吸收率和电荷分离效率，从而增强其光催化活性。在紫外光的照射下