2粉末样品光催化性能的研究'> Mn掺杂TiO2粉末样品光催化性能的研究

摘要：利用溶胶-凝胶法制备出不同Mn掺杂浓度、不同退火温度的Mn掺杂TiO2粉末样品。研究了Mn掺杂浓度和退火温度对Mn掺杂TiO2粉末样品光催化性质的影响。发现Ti0.998Mn0.002O2样品光催化活性顺序为：500℃>400℃>600℃>700℃。并且随着掺杂浓度增加，对罗丹明光催化活性下降。掺杂浓度为0.2%的样品光催化活性最好。

关键词：溶胶-凝胶法；光催化活性；罗丹明

光催化是纳米半导体材料其中的一个重要性能。其中TiO2以其光催化活性高、无毒性、稳定性良好、氧化能力强、成本低等特点成为当前热门的半导体光催化剂 。

TiO2纳米颗粒的制备方法主要有气溶胶法[1]、溶胶-凝胶法[2，3]、化学气相沉积法[4]、水热法[5] 和固相法等方法。本文作者考察了通过溶胶-凝胶法进行Mn掺杂的TiO2纳米颗粒的光催化活性。

1 实验

1.1 主要试剂和仪器

试剂：前驱物分别为钛酸四正丁酯和硝酸锰（50%），溶剂选用无水乙醇，螯合剂选用冰乙酸，PH值的调节选用硝酸，降解物罗丹明。

仪器：日本理学D/max-2500型旋转阳极式X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计。

1.2 1.2溶胶 凝胶法制备TiO纳米颗粒

室温下将10mL钛酸丁酯缓慢倒入20mL无水乙醇中，搅拌30min得溶液A；再将10mL无水乙醇、1mL硝酸、1.5mL去离子水、1mL冰乙酸以及不同配比含量硝酸锰溶液混合得溶液B。将溶液B缓慢的滴进正在搅拌的溶液A中， 待溶液B全部滴加到溶液A中后，继续搅拌2h，密封陈化24h。陈化后放入干燥箱中干燥1.5—2d左右，后将样品预烧结，保温7h，焙烧后的固体经研磨即得样品粉体。

2 结果与讨论

2.1 不同退火温度对Ti0.998Mn0.002O2粉末样品光催化性能的影响

从图1中看到，经过400℃退火处理的样品开始结晶，由无定形态转变成锐钛矿相TiO2，衍射峰中没有杂相的衍射峰，样品结构完全是锐钛矿结构，但衍射峰强度较弱。退火温度升至500℃，同样只存在锐钛矿相TiO，没有其它相衍射峰的出现，随着退火温度从400℃升高到500℃，衍射峰变细，说明样品结晶质量变好，晶粒尺寸变大。经过600℃退火处理，样品中出现金红石相，说明样品开始由锐钛矿相向金红石相转变，锐钛矿相衍射峰更加锐利，说明样品结晶质量提高，晶粒尺寸变大。经过700℃退火处理，大量锐钛矿相转变成金红石相，同时锐钛矿相结晶质量降低，金红石相结晶质量提高。在不同退火温度下，样品均没有出现Mn及Mn的氧化物衍射峰。

图2看出，在存在催化剂且有紫外灯照射下，罗丹明降解较快。Ti0.998Mn0.002O2光催化活性顺序为：500℃>400℃>600℃>700℃。这是因为，随着热处理温度从500℃升高到700℃，样品的晶粒尺寸长大，比表面积变小，进而减小了表面活性物质与有机污染物或水分子的接触机会，从而光催化活性降低。另一方面由于晶粒尺寸变大，能隙变窄，氧化还原能力变弱，降低了光催化活性。400℃热处理样品的晶粒尺寸500℃热处理的样品小，但其光催化活性比500℃的样品差，可能是因为400℃热处理的样品在晶格中引入的缺陷位置过多，成为电子-空穴的复合中心，加快了光生电子-空穴对复合，使得有效的光生电子-空穴对减少，光催化活性下降。

2.2 不同掺杂浓度对Ti1-xMnxO2粉末样品光催化性能的影响

从图3看出，所有样品均为锐钛矿相，没有其它杂相出现。随着掺杂浓度增加，衍射峰宽化，并且衍射峰强度变低，这说明样品的结晶质量变差，晶粒尺寸变小。

从图4看出，在存在催化剂且有紫外灯照射下，罗丹明降解较快。随着掺杂浓度增加，光催化活性下降。掺杂浓度为0.2%的样品光催化活性最好。这是因为，掺杂浓度为0.2%的样品中，捕获电子或空穴的浅势阱的数量适宜，光生电子-空穴能够更好地分离，所以光催化活性最好。进一步增加掺杂浓度时，光催化活性降低。这可能是因为，掺杂过量导致TiO2光催化剂表面光生载流子复合中心增多，增大了电子与空穴复合的几率，有效的光生电子-空穴对减少，光催化活性下降。

3 结论

a）研究了不同退火温度对Ti0.998Mn0.002O2粉末样品光催化性能的影响，发现Ti0.998Mn0.002O2样品光催化活性顺序为：500℃>400℃>600℃>700℃。这是因为，随着热处理温度从500℃升高到700℃，样品的晶粒尺寸长大，比表面积变小，进而减小了表面活性物质与有机污染物或水分子的接触机会，从而光催化活性降低。另一方面由于晶粒尺寸变大，能隙变窄，氧化还原能力变弱，降低了光催化活性。400℃热处理样品的晶粒尺寸比500℃热处理的样品小，但其光催化活性比500℃的样品差，可能是因为400℃热处理的样品在晶格中引入的缺陷位置过多，成为电子-空穴的复合中心，加快了光生电子-空穴对复合，使得有效的光生电子-空穴对减少，光催化活性下降。

b）研究了不同掺杂浓度对Ti1-xMnxO2粉末样品光催化性能的影响。发现随着掺杂浓度增加，光催化活性下降。掺杂浓度为0.2%的样品光催化活性最好。这是因为，掺杂浓度为0.2%的样品中，捕获电子或空穴的浅势阱的数量适宜，光生电子-空穴能够更好地分离，所以光催化活性最好。进一步增加掺杂浓度时，光催化活性降低。这可能是因为，掺杂过量导致TiO2光催化剂表面光生载流子复合中心增多，增大了电子与空穴复合的几率，有效的光生电子-空穴对减少，光催化活性下降。

参考文献：

[1] 施利毅，李春忠，陈爱平，等.高温气溶胶反应器中制备纳米TiO颗粒的形态和结构[J]. 华东理工大学学报，1999， 25 2：151 155.

[2]黄传真，艾兴，侯志刚等.溶胶-凝胶法的研究和应用现状[J].材料导报，1997，11（3）：8-13

[3]王廷富，潘庆谊，程知萱.In2O3薄膜及纳米颗粒制备进展[J].材料导报，2001，15（8）

[4]李学丹，万英超，姜祥祺等.真空沉积技术[M].杭州：浙江大学出版社，1994