《TiO2的衝擊波摻雜研究》是依託北京理工大學，由陳鵬萬擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：TiO2的衝擊波摻雜研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：陳鵬萬
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
TiO2是一種重要的光電功能材料，在光催化劑、光電轉換等方面有著廣泛的套用。利用衝擊波產生的瞬間高溫、高壓和高應變率作用對材料進行改性是當前國際上一個前沿的研究課題。本項目擬研究TiO2半導體衝擊波摻雜中的科學問題。採用炸藥爆轟驅動高速飛片對樣品進行衝擊波載入。將含N、S的摻雜物與TiO2混合，在衝擊波作用下進行擴散摻雜。此外，對含Ti的前體及含N、S的摻雜物進行衝擊波載入，進行原位反應摻雜。回收衝擊處理後的產物，通過元素分析、XRD、TEM、XPS和EPR等對產物的摻雜濃度和結構等進行分析，並對產物的光回響和光催化活性進行測試。分析衝擊波載入條件下TiO2的摻雜機理，獲取TiO2的衝擊波摻雜方法、工藝和條件。本研究對於發展衝擊波摻雜方法和TiO2功能材料的開發和套用具有重要的理論意義和實用價值，對於其他物質的衝擊波改性也具有很好的指導意義。
結題摘要
TiO2作為一種典型的半導體材料，由於具有強氧化能力、化學性能穩定和價格低廉等優點，在太陽能轉換和環境淨化方面具有巨大的套用價值，被認為是最具有實用化前景的光催化劑。但TiO2半導體由於具有較大的本徵帶隙，對應的本徵光吸收均在紫外區，這極大的限制了TiO2對太陽光能的有效利用。針對這個問題，在本項目中提出了一種新的實現TiO2元素摻雜的方法—衝擊波摻雜，採用衝擊載入方法對P25 TiO2和H2TiO3這兩種不同摻雜前體進行氮、硫等元素的衝擊波摻雜實驗研究；對衝擊載入過程進行數值模擬研究，採用動高壓測試系統和閃光X照相技術對衝擊壓力和飛片運動過程進行了測試。利用X 射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、X光電子能譜(XPS)、紅外光譜（IR）等對回收樣品的相組成、微結構及元素鍵合等信息進行分析。利用紫外-可見漫反射光譜儀(UV-Vis)進行TiO2的光回響測定，利用其截止波長確定樣品的禁頻寬度Eg，並對衝擊波氮摻雜TiO2進行了可見光光催化降解活性及光電化學性能評價。 對於P25 TiO2摻雜前體，衝擊波氮摻雜實驗結果表明，選用含氮量高的摻雜氮源，提高摻雜氮源初始混入濃度以及飛片衝擊速度，均可以使氮元素摻雜含量增大，禁頻寬度窄化變小。在雙氰胺初始混入濃度為10 wt%，飛片速度為3.37 km/s時，N元素摻雜濃度最高可達13.58 at%。衝擊波摻雜改性後的TiO2的光吸收截止波長由400 nm 紅移擴展至765 nm，禁頻寬度相應由3.10 eV 降至1.62 eV。提出了衝擊波氮摻雜機理和模型，即在衝擊波作用下，在銳鈦礦向srilankite高壓相轉變的壓力誘導相變過程中，同步實現了N3-與二氧化鈦基質O2-的快速交換而完成高濃度氮元素摻雜。在1.2km/s-1.79 km/s適度的衝擊載入條件下，進行適度的氮元素摻雜，可以使TiO2光催化劑具有較好的降解羅丹明B的可見光光催化活性，衝擊波摻雜TiO2在可見光照射下的光電流回響強度有所提高，光電化學的穩定性也得到了增強。對於H2TiO3摻雜前體，選取NH4NO3為摻雜源，可以實現有效的N摻雜，在適當的衝擊波載入強度下，摻雜樣品的光催化降解效果最好。選取N2H4CS為摻雜源，可以實現有效的N、S共摻雜。N2H4CS的初始含量越高，N、S的摻雜濃度越高，摻雜樣品的光催化降解效果越好。
