仿生结构的氮掺杂二氧化钛光催化材料的研究开题报告

1. 研究目的与意义

纳米级二氧化钛，直径在100纳米以下，产品外观为白色疏松粉末。具有抗线、抗菌、自洁净、抗老化性能，可用于化妆品、功能纤维、塑料、油墨、涂料、油漆、精细陶瓷等领域。纯纳米二氧化钛的不足是禁带较宽(3.2ev)，只在紫外光照射下才有光催化活性，没有可见光光催化活性，因此需要对二氧化钛进行改性研究，以拓宽二氧化钛的光谱响应范围，把吸收边红移至可见光区，使其具有可见光催化活性。在二氧化钛的改性研究中，掺杂二氧化钛的研究占有很大部分。二氧化钛经大部分金属/金属氧化物或金属离子掺杂后，能够显著降低带隙能级，实现可见光激发，但也促进电子–空穴的再结合，进而降低其光催化的活性。激发后产生的光生空穴和光生电子容易复合，导致光催化活性下降，分解效率降低这一直是人们致力于解决的课题。

过渡金属离子掺杂虽然可以改善二氧化钛在可见光下的活性，但是由于金属离子成为复合中心，使二氧化钛在紫外光下的活性下降或者可见光下的活性远低于紫外光下的活性；另一方面，掺杂使二氧化钛的稳定性变差，但是非金属参杂在不降低紫外光下活性的同时，使二氧化钛具有可见光活性，因此掀起了非金属元素掺杂二氧化钛的热潮。

氮参杂二氧化钛之后，可以使其禁带变窄，吸收波长向可见光范围移动，从而起到提高其光催化性能的效果。二氧化钛中掺杂n后，n2p轨道与o2p轨道杂化可改变二氧化钛电子能带结构，从而有效地窄化二氧化钛的禁带而引起可见光催化活性的提高。对多晶结构的n-二氧化钛的可见光活性起重要作用的是氧空位，而掺杂在氧空位处的n能阻止氧空位的再氧化。在研究添加还原剂(scn–、br–和i–等)对n-二氧化钛光化学反应的影响中，禁带窄化或氧空位能级的概念不能解释可见光照射下粉末的氧化性低于紫外光照射下的氧化性，而只能用掺杂的n物种引起的中间带隙(n2p)能级来解释，指出n-二氧化钛的可见光响应是由于在 二氧化钛的o2p价带以上形成了局部中间带隙(n2p)能级。中间带隙能级略高于o2p价带的顶部，可见光照射在中间带隙能级上产生空穴，而紫外光照射在o2p价带产生空穴。由于o2p价带上产生的空穴的反应活性高于n2p能级上产生的空穴的，因此n-二氧化钛粉末在可见光照射下的氧化性低于紫外光照射下的，在n掺杂引起中间带隙能级上产生的空穴仅能氧化i–，不能氧化scn–和br–，而在o2p价带上产生的空穴能氧化i–、scn–和br–。研究表明，n掺杂引起可见光催化活性的机理为：在二氧化钛价带上方形成一个独立的n2p窄带，紫外光可在价带及该窄带上激发电子，而可见光只能在窄带上激发电子，所以其在可见光下的活性不如紫外光的高。

2. 研究内容和预期目标

1.在生物模板上分别吸附氮源和钛源；

2.氮掺杂二氧化钛粉体的水热合成；

3.氮掺杂二氧化钛粉体的提纯；

3. 研究的方法与步骤

在生物模板表面分别吸附氮源(三乙醇胺)和钛源(钛酸四丁酯)，通过水热反应，在生物模板表面合成氮参杂的二氧化钛纳米复合材料。

通过所得产品对亚甲基蓝的吸附测定其光催化性能。

通过xrd，电镜等方法进行结构表征。

4. 参考文献

[1]刘立华.纳米二氧化钛研究进展[j].唐山师范学院学报,2004,26:3-6

[2]陈崧哲，张彭义，祝万鹏等.氮参杂二氧化钛光催化膜的氮化学形态和光催化活性[j].催化学报,2004,25(7):515-517

[3]冯光建，刘素文，修志亮等.氮参杂二氧化钛纳米粉体的制备及光催化性能的研究[j].中国粉体技术,2008,14(3):39-42

[4]刘小凤，曹晓燕.纳米二氧化钛的制备与应用[j].上海涂料,2007,46:30-33

5. 计划与进度安排

1.2022-01-07~2022-01-20：查阅文献，了解课题背景，完成开题报告。

2.2022-03-25~2022-03-28：开展初步实验，熟悉在生物模板上氮源和钛源的吸附过程。

3.2022-03-29~2022-04-03：制备氮参杂二氧化钛粉体及提纯。

4.2022-04-04~2022-04-06：探究温度对实验的影响。