TiO2的冲击波掺杂研究

TiO2是一种重要的光电功能材料，在光催化剂、光电转换等方面有着广泛的应用。利用冲击波产生的瞬间高温、高压和高应变率作用对材料进行改性是当前国际上一个前沿的研究课题。本项目拟研究TiO2半导体冲击波掺杂中的科学问题。采用炸药爆轰驱动高速飞片对样品进行冲击波加载。将含N、S的掺杂物与TiO2混合，在冲击波作用下进行扩散掺杂。此外，对含Ti的前体及含N、S的掺杂物进行冲击波加载，进行原位反应掺杂。回收冲击处理后的产物，通过元素分析、XRD、TEM、XPS和EPR等对产物的掺杂浓度和结构等进行分析，并对产物的光响应和光催化活性进行测试。分析冲击波加载条件下TiO2的掺杂机理，获取TiO2的冲击波掺杂方法、工艺和条件。本研究对于发展冲击波掺杂方法和TiO2功能材料的开发和应用具有重要的理论意义和实用价值，对于其他物质的冲击波改性也具有很好的指导意义。

TiO2作为一种典型的半导体材料，由于具有强氧化能力、化学性能稳定和价格低廉等优点，在太阳能转换和环境净化方面具有巨大的应用价值，被认为是最具有实用化前景的光催化剂。但TiO2半导体由于具有较大的本征带隙，对应的本征光吸收均在紫外区，这极大的限制了TiO2对太阳光能的有效利用。针对这个问题，在本项目中提出了一种新的实现TiO2元素掺杂的方法—冲击波掺杂，采用冲击加载方法对P25 TiO2和H2TiO3这两种不同掺杂前体进行氮、硫等元素的冲击波掺杂实验研究；对冲击加载过程进行数值模拟研究，采用动高压测试系统和闪光X照相技术对冲击压力和飞片运动过程进行了测试。利用X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)、红外光谱（IR）等对回收样品的相组成、微结构及元素键合等信息进行分析。利用紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis)进行TiO2的光响应测定，利用其截止波长确定样品的禁带宽度Eg，并对冲击波氮掺杂TiO2进行了可见光光催化降解活性及光电化学性能评价。.对于P25 TiO2掺杂前体，冲击波氮掺杂实验结果表明，选用含氮量高的掺杂氮源，提高掺杂氮源初始混入浓度以及飞片冲击速度，均可以使氮元素掺杂含量增大，禁带宽度窄化变小。在双氰胺初始混入浓度为10 wt%，飞片速度为3.37 km/s时，N元素掺杂浓度最高可达13.58 at%。冲击波掺杂改性后的TiO2的光吸收截止波长由400 nm 红移扩展至765 nm，禁带宽度相应由3.10 eV 降至1.62 eV。提出了冲击波氮掺杂机理和模型，即在冲击波作用下，在锐钛矿向srilankite高压相转变的压力诱导相变过程中，同步实现了N3-与二氧化钛基质O2-的快速交换而完成高浓度氮元素掺杂。在1.2km/s-1.79 km/s适度的冲击加载条件下，进行适度的氮元素掺杂，可以使TiO2光催化剂具有较好的降解罗丹明B的可见光光催化活性，冲击波掺杂TiO2在可见光照射下的光电流响应强度有所提高，光电化学的稳定性也得到了增强。对于H2TiO3掺杂前体，选取NH4NO3为掺杂源，可以实现有效的N掺杂，在适当的冲击波加载强度下，掺杂样品的光催化降解效果最好。选取N2H4CS为掺杂源，可以实现有效的N、S共掺杂。N2H4CS的初始含量越高，N、S的掺杂浓度越高，掺杂样品的光催化降解效果越好。