WO3纳米粒子修饰的N掺杂TiO2中空纳米棒阵列的制备及其可见光催化性能研究

TiO2 nanomaterials with high photocatalytic activities under visible light is a frontier research subject in the field of photocatalyst. In this project, the TiO2 hollow nanorod arrays are synthesized by using ZnO nanorod arrays as template,nitrogen is doped into the TiO2 hollow nanorod arrays by using the ex situ doping method with ECR plasma and in situ doping method with urea.The effects of doping method and concentration on the nitrogen doping behavior and the oxygen vacancy density are investigated, and the relationship between nitrogen doping and the visible light photocatalytic activity is further explored.Then N-doped TiO2 hollow nanorod arrays are decorated with WO3 nanoparticles, and the impacts of WO3 decoration on the photocatalytic property of N-doped TiO2 hollow nanorod arrays are analyzed.The carrier transportion and saparation in the WO3/N-doped TiO2 hetero- structure are explored, and the coordination optimization of N doping and WO3 decoration is built up.The solvement of the above issues has scientific significance for the visible-light photocatalytic mechanism of N-doped TiO2 decorated by narrow bandgap semiconductor,and also has important application value for the development of titania photocatalyst with a high visible-light activity.

可见光下具有高光催化活性的TiO2纳米材料是目前光催化领域的重要前沿课题。本项目拟以ZnO纳米棒阵列为模板制备TiO2中空纳米棒阵列，并对TiO2中空纳米棒阵列进行ECR氮等离子体掺杂和尿素原位掺杂，研究N掺杂方法和掺杂浓度对N在TiO2中的存在形式及氧空位密度的影响，进一步探索掺杂N的存在形式和氧空位密度与掺杂TiO2的可见光活性之间的关系；对N掺杂中空TiO2纳米棒阵列进行WO3纳米粒子修饰，研究WO3纳米粒子的负载方式和负载量对N掺杂中空TiO2纳米棒阵列光催化性能的影响，探索WO3/掺杂TiO2异质结中的载流子分离和输运机制；建立N掺杂和WO3纳米粒子修饰的优化协同。上述问题的解决对于研究窄禁带半导体修饰的N掺杂TiO2的可见光活性机理具有重要的科学意义，对推动可见光响应型高效TiO2光催化材料的发展具有重要的应用价值。

TiO2作为目前研究最多的光催化材料之一，还存在光生电子空穴易复合，只能吸收紫外光等问题，对TiO2进行改性，实现太阳能源的充分利用，并提高光催化效率，研制可见光响应的新型高效光催化剂，是光催化降解污染物领域的一个重要研究课题。本项目以ZnO 纳米棒阵列为模板利用简单的液相沉积法制备出了TiO2中空纳米棒阵列和ZnO/TiO2核壳纳米棒阵列，研究了反应条件对产物形貌和结构的影响； 对ZnO/TiO2核壳纳米棒阵列分别进行了ECR 氮等离子体掺杂和Fe离子原位掺杂得到了N掺杂TiO2包覆的ZnO纳米棒阵列和Fe掺杂TiO2包覆的ZnO纳米棒阵列，研究了掺杂量对样品的结构、光吸收和光催化性能的影响；并对Fe掺杂TiO2包覆的ZnO纳米棒阵列进行了ECR 氮等离子体氮掺杂制备出Fe、N共掺杂TiO2包覆的ZnO纳米棒阵列，结果表明掺杂后的样品均具有良好的可见光光催化活性，其中共掺杂样品的光催化性能最好；进一步对N 掺杂TiO2 纳米结构进行了WO3 纳米粒子修饰，探索了TiO2的窄带隙半导体修饰与N掺杂的协同改性机制。另外，还利用化学浸渍法合成了WO3/ZnO异质结纳米棒阵列和ZnWO4/WO3/ZnO异质结纳米棒阵列。项目的研究将为探索可见光响应型光催化纳米材料的应用提供新方法和理论基础。