掺氮TiO2光催化剂的制备和结构表征与光催化性能研究.doc

掺氮TiO2光催化剂的制备、结构表征与光催化性能研究邓小雪 20062401074一、 实验目的1、练习文献检索2、了解制备掺氮二氧化钛制备的原理3、学会用溶胶-凝胶法制备TiO24、学会使用X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构表征二、 实验原理清洁能源太阳能的利用,环境污染的控制与治理是人类 21世纪面临和亟待解决的重大课题。当前，利用光催化降解有机污染物已经成为处理环境问题最有希望的技术之一在光催化领域，人们研究开发了TiO2、CdS、WO3、ZnO等半导体光催化剂 ,由于 TiO2 具有高效廉价耐化学腐蚀以及强光催化活性,因此纳米TiO2 光催化技术成为研究的热点TiO2 光催化氧化反应的机理是用能量大于或者等于禁带宽度的光照射时,其价带上的电子(e-) 被激发,跃过禁带进入导带,同时产生相应的空穴,即有电子(e-)-空穴(h+)对。光生空穴h+有很强的得电子能，具有很强的氧化性,可夺取半导体颗粒表面的有害物的电子,使有害物得到氧化,而光生电子迁移到半导体微粒表面被氧化, 即吸附在TiO2表面的OH-和H2O将被氧化成OH自由基，OH为强氧化剂,能将它周围的有机物氧化，进行氧化- 还原反应。其催化机理见图11 。图1TiO2 光催化反应机理1利用TiO2对有机污染物进行光催化降解,最终使这些污染物生成无毒、无味的CO2、H2O及一些简单的无机物小分子,这为消除环境污染和水处理开辟了一条新的途径。但是，作为一种好的光催化材料,TiO2还存在一些缺陷,主要表现在:带隙较宽,仅能吸收紫外光,在可见光范围没有响应,对太阳光利用率低(约3%5%);光生载流子的复合率高,光催化效率较低。这些缺陷限制了TiO2光催化剂的应用前景。为此,人们在提高其可见光光催化活性和催化效率、有效利用太阳能等方面做了大量的深入研究。结果表明:采用贵金属沉积、半导体掺杂(金属掺杂、稀土掺杂、非金属掺杂)、半导体复合、半导体光敏化、半导体表面螯合及衍生等技术对光催化剂进行表面修饰或改性处理,可以减小光催化材料的禁带宽度,扩展其光响应范围。2001年Asahi等通过完全势线性缀加平面波模型分别计算非金属 CNFPS取代锐钛矿型TiO2 中晶格氧时的态密度后发现,N由于其2p轨道和O的2p轨道杂化使得禁带宽度减小,因而最有效理论和实践证明,氮掺杂是提高 TiO2 可见光利用率的有效方法,明显提高了可见光的利用率近年来,人们相继开发了许多纳米TiO2 的制备方法,大致可以分为两大类,即气相法和液相法。气相法所用的前驱体一般有TiCl4和钛醇盐Ti(OR)4；以TiCl4为前驱体可以分为气相水解法和气相氧化法;以钛醇盐为前驱体，可以分为气相热解法和气相水解法1TiCl4，液相法制备纳米TiO2主要有胶溶法、沉淀法、水热法、溶胶-凝胶(Sol - Gel)法和微乳液法等。本实验采用溶胶-凝胶法常温制备N掺杂纳米TiO2粉体，制得的纳米TiO2 粉体分布均匀,纯度高,分散性好,反应容易控制,设备和工艺操作简单,副反应也少,近年来研究也较多,但是所用原料成本高,工艺时间长。溶胶凝胶（Sol - Gel）法是液相合成制备纳米TiO2的典型方法。其反应过程如下:水解反应: Ti(OR)4 + 4H20 Ti(OH)4 + 4ROH失醇缩聚: Ti(OR)4 + Ti(OR)4 2TiO2 + 4ROH失水缩聚: 2Ti(OR)4 2TiO2 + 4H20R 基可为乙基、异丙基、正丁基等。Sol - Gel 法:以醇钛盐Ti(OR)4为原料,无水醇为有机溶剂,加入一定量的酸,起抑制水解作用, 钛醇盐的水解反应速度很快，所以需加抑制剂来减缓其水解速度。常用的抑制剂有盐酸、氨水和硝酸等。为了防止发生团聚,需加入分散剂,如三乙胺、羟基丙酯纤维素或三醇硅烷作为反应的中间体。经57天凝胶化过程完成后,将湿凝胶置于真空炉中,于5060 干燥数小时,得到松散干凝胶粉末, 干凝胶粉体为无定形结构，再把干凝胶粉末在氧气气氛中进行不同的热处理。所得TiO2粒子粒径为20100nm ,干凝胶粉体为无定形结构。经250300 热处理后,出现锐钛型,480 左右时,全为锐钛型,温度大于550 时,出现金红石型结构,温度为800 时,所有晶粒为金红石结构。所制得的纳米TiO2粒子均为球形。以钛酸丁酯为主原料，将定量的钛酸丁酯和蒸馏水分别溶于乙醇中，然后在剧烈的电磁搅拌情况下将二者缓慢混合，采用成分变化温度变化以及加入少量的添加剂来控制凝胶时间，最后制定以钛酸丁酯、乙醇、蒸馏水以1：15：1的投料比，2530的反应温度，以及70h凝胶，经60烘干的工艺，该干燥凝胶在马弗炉中进一步的氧化即为TiO2。溶胶-凝胶法(Sol - Gel)2过程的第一步是制备金属盐或醇盐水合物，制成均匀溶胶，为了保证后继水解反应在分子均匀的水溶液进行，可以选择水和醇作为溶剂，以保证醇与其相应的盐类和水互溶。此外，为了控制水解、缩聚以及溶胶在陈化过程中的结构与形态，可以在溶液体系中加入催化剂。在配制过程中，主要的参量有水的加入量与添加的速率、溶液温度、加入催化剂的种类与添加量、水与醇盐的摩尔比以及搅拌速率等。控制水的加入量可以控制水解与缩聚反应的速率与相应的缩聚产物的结构与形态，不同种类的催化剂与相应的添加量主要影响水解速率、缩聚速率，提高溶液的温度，对醇盐的水解速率总是有利的，并直接影响水解产物的相变化，同时影响溶胶的稳定性。对溶液的pH值要与水解速率相匹配，在酸性介质中，由于水合金属阳离子的质子化，相互之间具有电荷排斥作用，因此缩聚速度受到抑制，随着pH升高，缩聚速度、交联程度和凝胶的孔隙率提高，对于一定组分，有一个合适的pH值，以避免溶液中沉淀生成。由溶胶向凝胶的转变过程中，缩聚反应形成的聚合物或粒子聚集体长大成为小粒子簇，小粒子簇相互碰撞，连结成大粒子簇，形成初期的凝胶，接着大粒子簇逐渐相互连结成三维网络，凝胶硬化。在溶胶向凝胶转化的过程中，主要的控制参量有反应温度、溶液浓度、胶化剂、溶液pH值与加入添加剂的浓度以及水解缩聚速率等。当改变这些参数时，可以控制溶胶向凝胶的转化时间。用浸渍、旋转或喷涂等方法将溶液涂覆在基材上。在浸渍涂层的过程中，当将有孔的基材浸入溶胶溶液时，由于毛细作用，液体流入孔中，溶胶颗粒沉积在基材上。然后进行焙烧不同的温度可得不同晶型的纳米TiO2。因为灼烧温度与产物的平均粒长成正比且在600 700 时TiO2的晶型发生转变, 所以通常认为控制灼烧温度是控制TiO2的晶型和平均粒径的一种方法，且具体转变温度与基材的性质有关。实验中使用X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构表征，确定样品为TiO2，并确定其主要晶型。利用太阳光为光源降解甲基橙溶液对光催化效果进行分析和讨论。最先发现N掺杂对实现TiO2可见光催化的作用,认为是残留的NH3在焙烧过程中生成NOx对TiO2起到光敏化作用。N掺杂在紫外光和可见光的光催化性能得到很好证明,但是关于作用机理存在不同的看法,主要解释有以下几方面：(1)形成替位掺杂:替位掺杂生成-N原子,形成Ti-N键,使吸收强度增强和吸收边红移,Jansen M等指出,在金属氧化物中氧元素被氮替换后形成氮氧化物,能够吸收可见光,而且颜色呈黄色。氧原子被氮替代,实际上是阴离子缺陷被氧原子占据,即形成了N掺杂。Asahi R3在局域密度近似的框架内,通过全势能线性扩展平面波方法对C、N、F、P和S在锐钛矿TiO2中O原子的替位掺杂电子态密度进行了计算,结果表明替位掺杂N是最有效的,N 2p态通过与O 2p态的杂化,对带隙起到窄化作用。吸收边引起的主要电子跃迁是由N 2p到Ti dxy,而不是O 2p。Irie H等4认为氮取代了氧晶格的部分氧原子位,在价带上方形成一个独立的窄N 2p能带,对可见光具有敏化效应。(2)形成氧空位:Ihara T等认为可见光活性可以归因于多晶颗粒及其晶界。氧空位很容易在晶界产生,晶界形成的氧空位对于产生可见光活性是非常重要的,N在氧空位态的掺杂对于阻止再氧化是非常重要的。Chu S Z等认为N替位掺杂产生的氧空位提高了光生载流子的分离,阻止了电子空穴对的复合,从而产生高的光催化能力。掺杂形成的O空位作为吸附位置的色心或者光生电子的陷阱,是改进可见光催化活性的原因。但是氧空位也可能使捕获的光生电子不容易达到表面反应位置,降低活性。(3)形成间隙掺杂:Shen H等用低能离子注入法得到主要为间隙掺杂N的TiO2。N的含量随离子通量的增加而增加。N掺杂TiO2可以降解亚甲基蓝,表明间隙掺杂也能产生可见光催化活性。N原子浓度增大,产生更高的可见光催化效率。Diwald O等认为对于金红石结构,替位掺杂N对于降低光化学能是无效的。N存在于间隙位置与H成键,共掺杂作用对于提高TiO2的光催化活性起作用。实验设计流程如下：5三、仪器与试剂1) 小组仪器：分液漏斗、磁力搅拌器、250mL、500mL烧杯、100mL量筒、钳锅。2) 共用仪器：马弗炉、干燥箱、离心机+离心试管、电子天平。3) 大型仪器：X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)。4) 实验药品：钛酸丁酯 化学纯、无水乙醇 分析纯、氨水 分析纯、硝酸 分析纯、甲基橙。四、实验步骤1、样品制备：溶胶的制备用量筒分别量取140ml的无水乙醇和30ml的钛酸丁酯，将后者滴加入前者中混合均匀，在磁力搅拌器下搅拌0.5h，然后滴加0.5mL硝酸，再滴加入40mL氨水，同时必须激烈搅拌，搅拌1h，使钛酸丁酯充分水解，得到溶胶；陈化 将所得的溶胶放置12h，使之陈化，得到均匀凝胶；烘干陈化之后，将溶胶放在真空干燥箱中，80下烘至干胶； 煅烧将干胶研至粉末，再将粉末放入马弗炉内煅烧，烧结的升温阶段的速度不能太快,约1h由室温升到450，并在此温度下加热约1h后,自然冷却到室温。 按照以上步骤，氨水用量改为60mL，其他药品用量不变，再制备另一样品。2、表征使用X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构表征，确定样品为TiO2，并确定其主要晶型，初步判断其结晶度大小，使用谢乐(Scherrer)公式（D=0.89/cos,式中为X射线的波长,=0.150 4nm;为X射线衍射的半峰宽；为布拉格角。通过计算得到的粒径为4080nm。6）计算晶粒尺寸，并做X射线衍射谱图。扫描范围从20至80，量程1000/s，Cu 靶X 射线源，石墨单色器分光73、光催化性能研究使用光化学反应器，加入200ml浓度为110-4mol/L的甲基橙溶液，准确称取0.1000g样品加入到反应器中，不开灯搅拌20分钟，使其达到吸附-脱附平衡后,使用紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)在464nm处测定其吸收值，然后打开高压汞灯，连续照射90分钟，每隔10分钟取样使用相同方法测定其吸光度，绘制光催化降解动力学曲线，并计算降解率。(D=(A0-A)/A0100%计算降解率D。式中A0为光照前原始液的吸光度值,A为光照t时刻后的吸光度值。由于降解率D和光催化活性成正比,所以通过降解率的大小可以判断该纳米薄膜的光催化活性。6五、数据处理1、使用X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构表征结果如下：样品一（40mL氨水）：样品二：电脑软件计算得到以下数据：氨水量(mL)峰位峰高面积平均晶粒尺寸(nm)4025.4523218410.66024.851027511.5三个最强的衍射峰(衍射角)决定了晶体的种类和晶相(型)。衍射峰强(高度高)代表结晶度高，峰宽越宽代表颗粒越小，颗粒越小代表比表面积(或者有效反应面积)越大。衍射峰的产生来自于晶体的周期性有序排列，反映了晶体的晶格，因X射线波长短，因此可以发生衍射。2、光催化性能研究4月3日下午3点测得没有加催化剂的甲基橙溶液吸光度为1.094月7日下午4点测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度吸光度吸光度平均值401.051.051.051.05601.11.111.111.114月10日下午测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度401.04601.15样品一（40mL氨水）的吸光度有所降低，但是只降低一点，计算降解率：D=(A0-A)/A0100%=(1.09-1.04)/1.09100%=1.83% 样品二（60mL氨水）的吸光度不但没有降低，反而增大，这可能是由于溶液中有TiO2颗粒，在测定时由于引起很大误差，吸光度变大。而且由于实验的时候都是阴雨天气，一直放在室内，样品没有受到太阳光的照射，故没有光催化分解甲基橙溶液。六、结果与讨论 目前纳米TiO2的制备有许多方法，有气相法和液相法两大类。气相法所用的前驱体一般有TiCl4和钛醇盐Ti(OR)4；以TiCl4为前驱体可以分为气相水解法和气相氧化法;以钛醇盐为前驱体，可以分为气相热解法和气相水解法1TiCl4，液相法制备纳米TiO2主要有胶溶法、沉淀法、水热法、溶胶-凝胶(Sol - Gel)法和微乳液法等。本实验采用溶胶-凝胶法常温制备N掺杂纳米TiO2粉体，制得的纳米TiO2 粉体分布均匀,纯度高,分散性好,反应容易控制,设备和工艺操作简单,副反应也少,近年来研究也较多,但是所用原料成本高,工艺时间长。本实验设计时，本是设计把钛酸丁酯滴加到无水乙醇中，但是在实验操作中，考虑到空气湿度较大，钛酸丁酯易水解，并且加入滴液漏斗中会造成损失，故我们是把无水乙醇加入钛酸丁酯中，查文献可知，加入醇的原因是让钛酸丁酯浓度降低，防止加入氨水时，钛醇盐强烈水解，先后加入顺序对实验结果无影响，但是氨水的先后顺序却对实验影响很大，实验中我们要把氨水滴入钛酸丁酯溶液中，而不能反过来把钛酸丁酯加到氨水中，因为溶胶-凝胶(Sol - Gel)法制备纳米TiO2，受pH值影响很大，当溶胶的PH值3时，制备不到溶胶溶液，而是溶液。当PH值5时，将产生白色的絮状沉淀。所以，溶胶溶液的最佳PH值为4.5。但是实验中我们一开始溶液的pH值约为1.5，但是当一滴加氨水就生产白色絮状沉淀，原因可能为我们搅拌的速度不够快，溶液较多难以均匀，故开始生成白色絮状沉淀，后来我们把搅拌速度开到最大，减慢氨水滴加速度，溶液则变成白色溶胶状溶液，但是在停止搅拌后，静置10分钟后，溶液分层，时间越长，分层越严重，并没有得到预期的凝胶。其他四个小组的实验现象有：第一小组：（加水的烧杯，即制纯二氧化钛）：半透明的凝胶状（根据讲义的配比掺氮的烧杯）：下层白色沉淀，上层为清液第三小组：4：1烧杯为粘稠状液体（无沉淀，也无溶胶）； 3：1烧杯为凝胶状；第四小组：10mL氨水、 40mL氨水 烧杯都为下层白色沉淀，上层为清液；第五小组：两个烧杯都呈凝胶状（掺铁）。对比之下，发现加氨水的全部都没有凝胶生成，为什么会有这样的结果呢？我认为是pH值的问题，掺氮的实验后期pH值均大于5，不在最佳pH值范围，容易生成沉淀，此实验就非溶胶-凝胶法，而是沉淀法。实验营销的因素有：添加的速度、加入催化剂的种类、添加量、水与醇盐的摩尔比、搅拌速度、pH值等，我认为除pH值外其他因素都可以很好控制，按照该实验的方案，pH值不能控制在4.5左右，并且由于加入的是氨水，pH值肯定升高，得不到合适的pH值pH值，溶液就会生成沉淀，故我考虑如果把氨水改成尿素溶液，实验结果会好一点。我们在煅烧过程因为意外，煅烧时间是不足的。样品粒径随煅烧温度的升高而增大，比表面积明显减小。水合TiO2是无定型的，经 400煅烧后，锐钛矿晶型开始形成，而 600煅烧后样品的锐钛矿型已非常成熟，但仍无金红石型出现，700煅烧后样品开始出现金红石型，但含量很少，掺氮后一定程度上抑制了其从锐钛矿型向金红石型的转变9。在溶胶-凝胶法制备TiO2的过程中，烧结温度会影响纳米TiO2的空隙、稠密度和晶型，从而影响TiO2的光催化性能。实验表明要获得理想的纳米TiO2，烧结温度一般应控制在400-600之间为宜，我们实验设置在4504。幸运的是我们得到的晶粒大小还不错。使用X射线衍射仪(XRD)对样品进行结构表征，我们5个小组得到的结果如下：第一小组：样品一：（直接加水）样品二：（书本方案）第二小组（我们实验小组）：见数据处理部分第三小组：样品一样品二第四小组：样品一：样品二：氨水量(mL)峰位峰高面积平均晶粒尺寸(nm)1025.3027215115.84025.25741045.83第五小组：样品一：样品二:衍射峰强(高度高)代表结晶度高，峰宽越宽代表颗粒越小，颗粒越小代表比表面积(或者有效反应面积)越大。对比五组的XRD图形，我们的结晶度和晶粒大小相对与其他小组，比较好，证明煅烧那个时间对我们影响还不是很大。而在研究掺氮TiO2光催化性能时，我们实验结果如下：4月3日下午3点测得没有加催化剂的甲基橙溶液吸光度为1.094月7日下午4点测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度吸光度吸光度平均值401.051.051.051.05601.11.111.111.114月10日下午测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度401.04601.15样品一（40mL氨水）的吸光度有所降低，但是只降低一点，计算降解率：D=(A0-A)/A0100%=(1.09-1.04)/1.09100%=1.83%样品二（60mL氨水）的吸光度不但没有降低，反而增大，这可能是由于溶液中有TiO2颗粒，在测定时由于引起很大误差，吸光度变大。而且由于实验的时候都是阴雨天气，一直放在室内，样品没有受到太阳光的照射，故没有光催化分解甲基橙溶液。与我们方案一样，只是氨水加入量不一样的第四小组结果如下：4月3日下午4点测得没有加催化剂的甲基橙溶液吸光度为0.954月7日下午4点测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度100.99400.974月10日下午测得加了催化剂的甲基橙溶液吸光度为氨水量（mL）吸光度101.08401.08他们小组2个样品的吸光度均增大，这可能也是由于溶液中有TiO2颗粒，在测定时由于引起很大误差，吸光度变大。从结果看来我们的TiO2没有光催化性能，但事实是否如此?我们认为甲基橙的吸光度之所以改变不大，甚至增大，是由于实验设备不足，没有光化学反应器，样品溶液就要我们自带回去或在实验室放置做催化性能实验。在阳光下做该实验，但是由于连续几天都是阴雨天气，根本就没有阳光，而且由于掺氮TiO2光响应范围不大，纯的TiO2仅能吸收紫外光，在可见光范围没有响应，掺氮的可扩展其光响应范围，但是扩展范围也不会特别大。而且我们所有人样品都放在窗边，就算有太阳光，阳光穿过玻璃射进室内，对光催化作用贡献最大的紫外光也基本会被过滤掉，更何况实验几天都是阴雨天气，云层很厚，样品无法晒太阳光，只能放置在室内，而在测定加TiO2的甲基橙溶液吸光度的时候，由于TiO2未完全沉淀下来，测定溶液中含TiO2颗粒，吸光度会变大，故我们实验才会有如此结果。同时也有可能是煅烧时间不足，从而影响TiO2的光催化性能。我们2个小组与其他3个小组相对比之下，第五小组掺铁的结果相对较好，他们吸光度下降大概0.20，其他小组光催化性能结果也不好。第五小组的结果较好原因可能未，他们是掺铁的TiO2，溶液沉淀良好，用来测吸光度的溶液澄清，故不会导致吸光度表达。综上所述，我认为实验的到这样的结果不是我们的个人实验原因，而是在天时地利人和3个因素，我们失去了天时地利这2个因素，特别是马弗炉的突然烧坏，被关了，后来发现的时候来不及再煅烧，造成我们样品煅烧不足，幸运的是我们样品晶型结果不错，可是由于阴雨天气，阳光不足，也没有光化学反应器设备供我们使用，在做光催化性能测试时才会出现如此结果。综合看整个实验，我们从预习设计报告到完成实验到完成实验报告，历时五个星期，时间很长，步骤繁多，去实验室6次。在过程中，我们小组合作和谐团结，分工合理，虽然实验结果不是很好，。但是我们在实验中学到很多东西，受益匪浅。七、思考题1、样品制备过程不按上面的比例又会如何？煅烧温度改变又会如何？答：A：若以钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)为原料、乙醇为溶剂、盐酸为抑制剂，采用多因素正交设计法优选出最佳工艺条件为：水解温度为33,反应物配比：钛酸丁酯乙醇水盐酸=1930.28，制备出了平均粒径825nm、颗粒形态呈球形的TiO2粉体，550煅烧为锐钛型，800煅烧为金红石型。在上述体系中加入冰醋酸作为螯合剂，以控制钛酸丁酯的水解速度。水加入量和硝酸含量对产物锐钛型金红石型相变温度的影响，发现水含量越多，相变起始温度越低；硝酸含量越高,相变起始温度越高8。硝酸/正钛酸四异丙醇酯(TTIP)摩尔比对干凝胶晶相的影响,不加入硝酸时,产物是无定形的;硝酸/TTIP摩尔比较低时,干凝胶为锐钛型;随着摩尔比的升高,出现金红石型且含量逐渐增多。样品粒径随煅烧温度的升高而增大，比表面积明显减小。水合TiO2是无定型的，经 400煅烧后，锐钛矿晶型开始形成，而 600煅烧后样品的锐钛矿型已非常成熟，但仍无金红石型出现，700煅烧后样品开始出现金红石型，但含量很少，掺氮后一定程度上抑制了其从锐钛矿型向金红石型的转变9。在溶胶-凝胶法制备TiO2的过程中，烧结温度会影响纳米TiO2的空隙、稠密度和晶型，从而影响TiO2的光催化性能。实验表明要获得理想的纳米TiO2，烧结温度一般应控制在400-600之间为宜，我们实验设置在4504。2、不滴加氨水而直接滴加水是否会生成纯的TiO2？它是否也有光催化效果？答：A：加入一定量的NH3H2O,诱导所得粒子间产生静电排斥力,阻止粒子间的碰撞,防止进一步产生大粒子。为了防止钛醇盐强烈水解,先将一定量的醇与钛酸丁酯混合,再充分混合所有药品。经陈化过程完成后,将湿凝胶干燥,可以得到松散的干凝胶,再把干凝胶研成粉末在氧气气氛中进行热处理,就可以得到纳米TiO2。该法制得的纳米TiO2粉体分布均匀,纯度高,分散性好,反应容易控制,设备和工艺操作简单,副反应也少,近年来研究也较多,但是所用原料成本高,工艺时间长。10B:用溶胶-凝胶法制备出的纯的TiO2也有光催化效果，但存在一些缺陷,主要表现在:带隙较宽,仅能吸收紫外光,在可见光范围没有响应,对太阳光利用率低(约3%5%);光生载流子的复合率高,光催化效率较低。为此,人们在提高其可见光光催化活性和催化效率、有效利用太阳能等方面做了大量的深入研究。结果表明:采用贵金属沉积、半导体掺杂(金属掺杂、稀土掺杂、非金属掺杂)、半导体复合、半导体光敏化、半导体表面螯合及衍生等技术对光催化剂进行表面修饰或改性处理,可以减小光催化材料的禁带宽度,扩展其光响应范围。N取代锐钛矿型TiO2 中晶格氧时的态密度后发现,N由于其2p轨道和O的2p轨道杂化使得禁带宽度减小,因而最有效理论和实践证明,氮掺杂是提高 TiO2 可见光利用率的有效方法,明显提高了可见光的利用率，N掺杂纳米TiO2粉体在可见光下具有较强的光催化活性。3、检索相关文献讨论如何改进实验效果。答：制备溶胶的过程中需要加入一定量的酸（HNO3）,目的是：（1）抑制水解；（2）使胶体离子带正电，防止胶粒的团聚。当溶胶的PH值3时，制备不到溶胶溶液，而是溶液。当PH值5时，将产生白色的絮状沉淀。所以，溶胶溶液的最佳PH值为4.5。在溶胶-凝胶法制备TiO2的过程中，烧结温度会影响纳米TiO2的空隙、稠密度和晶型，从而影响TiO2的光催化性能。实验表明要获得理想的纳米TiO2，烧结