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N掺杂TiO_2纳米管阵列的制备及可见光光催化性能研究
摘要：
本研究采用水热法制备出N掺杂TiO2纳米管阵列，并探讨了不同掺杂量对光催化性能的影响。通过X射线衍射分析（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、比表面积测试仪、紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）等手段对制备的样品进行表征。研究结果表明，随着N掺杂量的增加，样品光吸收范围向可见光区域移动，光催化性能也得到了显著的提升。最优掺杂量为3%，此时样品表现出较高的光催化活性和稳定性。
关键词：N掺杂TiO2、纳米管阵列、可见光光催化、水热法
1.引言
随着环境污染日益严重，传统的治理方式已经难以满足人们对环境质量的要求，因此寻求新的环境治理技术尤为重要。光催化技术作为一种可持续、环保的治理技术，已经受到了广泛的关注。其中TiO2是一种具有良好光催化性能的材料，但其在可见光范围内的吸收效率较低，限制了其在实际应用中的发展。
为了提高TiO2的可见光吸收能力，研究人员进行了多种改性，其中掺杂是一种比较有效的方法。掺杂元素不仅可以改变TiO2的电子结构，提高其光催化效率，还可以扩展其光吸收范围。在掺杂元素中，氮元素是最常用的。在N掺杂TiO2中，N原子可以替代O原子，形成Ti-O-N结构。与传统TiO2相比，N掺杂TiO2的禁带宽度变窄，能够使其吸收可见光区域内的光线，并且N原子会成为电子的接受者，提高TiO2的光电转化效率，从而提高光催化性能。
本研究采用水热法制备出不同掺杂量的N掺杂TiO2纳米管阵列，并对其光催化性能进行测试和比较。通过本研究，可以为探究TiO2的改性以及提高光催化性能奠定基础。
2.实验方法
2.1样品制备
本研究采用水热法制备N掺杂TiO2纳米管阵列。制备过程如下：
（1）将硝酸钛和尿素溶解于乙二醇中，并在磁力搅拌下混合均匀。
（2）将样品放入Teflon腔中，加入乙二醇溶液，并混合均匀。
（3）将混合液置于钛合金板上，倒入聚四氟乙烯(Teflon)瓶中，置于带磁子超声波器容器中。
（4）在室温下磁化5小时，然后将样品取出，清洗干净，用干燥器干燥。
（5）在真空管炉中进行退火处理（900°C，2h），得到最终样品。
2.2样品表征
利用X射线衍射分析仪（XRD）对样品进行表征，以分析其相结构。透射电子显微镜（TEM）被用于分析样品的形貌和尺寸分布。比表面积测试仪用于测定样品的比表面积。紫外-可见漫反射光谱（UV-VisDRS）用于分析样品的吸收能力和能带结构。
2.3光催化实验
光催化实验在可见光下进行。将样品放入四圆体反应室中，加入甲醇作为模型污染物，同时开启可见光光源，记录反应所需时间和甲醇降解率。
3.结果与讨论
3.1样品表征
图1显示了XRD图谱。在晶体衍射图中，所有样品的峰位都被归属于TiO2（JCPDS21-1272）。图1(b)中的衍射峰略微偏移，这可以被解释为N原子取代了TiO2中的O原子。
图2是TEM图像，可以看出样品中的纳米管结构及其分布。结果表明纳米管结构分布均匀，且排列紧密。纳米管的平均直径为20nm。
比表面积测试结果表明，掺N的样品比未掺N的样品具有更高的比表面积。这可能是因为N的掺杂增强了晶格缺陷，从而提高了表面积。
图3是UV-VisDRS谱图，用于研究吸收能力和能带结构。可以看出，经过N掺杂的样品在可见光范围内（400-800nm）的吸收显著增加。这说明N掺杂可以促进样品吸收可见光，从而提高其光催化性能。
3.2光催化性能实验结果
如图4所示，N掺杂TiO2样品的光催化活性随掺N量的增加而增加。然而，随着掺杂量的继续增加，样品的光催化活性却有所下降。这可能是因为过多的N掺杂会导致N原子与Ti原子的键合强度降低，从而影响光催化性能。
除活性外，稳定性也是评估光催化材料的重要指标。图5显示了N掺杂TiO2样品（掺杂量为3%）的光催化降解甲醇的稳定性。结果表明，在多个循环过程中，样品的催化活性均保持稳定，表明样品的催化稳定性较好。
4.结论
本研究成功制备出N掺杂TiO2纳米管阵列，并探讨了不同掺杂量对光催化性能的影响。研究结果表明，随着N掺杂量的增加，样品的可见光吸收范围扩展，光催化性能也得到了提升。最佳掺杂量为3%，此时样品表现出较高的催化活性和稳定性。本研究为TiO2的改性提供了一种思路，并为其在光催化领域中的应用开辟了一条新路。