TiO2纳米管制备及其光催化性能研究

论文摘要

随着社会的发展,人们对环境保护也越来越重视。传统的有机废水处理方法具有副产物较多,后处理复杂,易造成二次污染等弊端,其局限性日益显著。TiO2纳米材料光催化氧化技术是一种新型的废水处理技术,具有处理效率高、工艺设备简单、操作条件易控制、非选择性地降解有机污染物、无二次污染等优点而日益受到重视。本文采用电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管,研究了不同电解质体系中影响TiO2纳米管生长的阳极氧化时间、电压、pH值等条件。实验表明,TiO2纳米管的管长随电解质溶液的pH值和阳极氧化时间的增加而增加,管径随阳极氧化电压的升高而变大,有机体系中制备的TiO2纳米管长径比较水溶液体系更好。其中,水溶液体系中较佳的制备条件为pH=5,阳极氧化时间3h,阳极氧化电压介于1020V。而有机体系较佳的制备条件为pH=6,阳极氧化时间10h,阳极化电压3560V。对TiO2纳米管样品进行焙烧,XRD衍射实验表明,TiO2纳米管的晶型结构与其焙烧温度有很大关系,随着焙烧温度的上升,TiO2纳米管的晶型结构由锐钛矿型向金红石型转变。在550℃下焙烧后的TiO2纳米管具备较好的光催化活性。利用有机体系中丰富的C源和TiO2纳米管优良的吸附性,采用直接焙烧有机体系中制备的TiO2纳米管的方法进行C的掺杂改性研究,EDS能谱分析表明成功的对TiO2纳米管进行了C掺杂;对亚甲基蓝光催化降解实验表明,掺杂C的TiO2纳米管光催化活性比未掺杂的样品有了明显的提高。以亚甲基蓝为光催化实验降解对象,研究了影响亚甲基蓝光催化降解的几个因素:催化剂用量、光照时间、亚甲基蓝溶液初始浓度、pH值及外加催化剂H2O2。合适的反应条件是:催化剂面积1cm2、光照时间3h、亚甲基蓝溶液初始浓度4×10-6mol/L;TiO2纳米管的光催化活性在碱性环境中要高于其在酸性和中性环境;外加催化剂H2O2存在的条件下,TiO2纳米管表现出更好的光催化活性。反应动力学分析表明未掺杂的TiO2纳米管和掺杂C的TiO2纳米管光催化降解亚甲基蓝的反应动力学特征均符合准一级反应特征模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 2 纳米管概述'>1.1 纳米技术与TiO₂纳米管概述
• 1.1.1 纳米技术概述
• 2 纳米管概述'>1.1.2 TiO₂纳米管概述
• 2 纳米管的制备方法'>1.2 TiO₂纳米管的制备方法
• 1.2.1 阳极氧化法
• 1.2.2 模板合成法
• 1.2.3 水热合成法
• 1.2.4 微波合成法
• 2 纳米管的形貌及形成机理'>1.3 TiO₂纳米管的形貌及形成机理
• 2 纳米管的应用'>1.4 TiO₂纳米管的应用
• 1.4.1 作为太阳能电池原料
• 1.4.2 作为催化剂载体
• 1.4.3 作为光催化剂
• 1.4.4 作为气敏传感器材料
• 1.4.5 用作光裂解水的材料
• 1.4.6 其他
• 2 纳米管研究中存在的问题及发展方向'>1.5 TiO₂纳米管研究中存在的问题及发展方向
• 1.6 本课题的意义和实验内容
• 2 纳米管的阳极氧化制备研究'>2 TiO₂纳米管的阳极氧化制备研究
• 2.1 实验试剂及仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法及步骤
• 2.2.1 阳极氧化法
• 2.2.2 结构表征
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 不同pH 值
• 2.3.2 不同阳极化电压
• 2.3.3 不同阳极化时间
• 2.3.4 不同电解质
• 2 纳米管形成机理探讨'>2.4 TiO₂纳米管形成机理探讨
• 2.5 小结
• 2 纳米管的焙烧及掺杂改性研究'>3 TiO₂纳米管的焙烧及掺杂改性研究
• 3.1 实验试剂及仪器
• 3.1.1 实验试剂
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 实验方法
• 2 纳米管的热处理及掺杂方法'>3.2.1 TiO₂纳米管的热处理及掺杂方法
• 3.2.2 结构及晶型的表征
• 3.3 实验结果与讨论
• 2 纳米管结构、形貌的影响'>3.3.1 焙烧温度对TiO₂纳米管结构、形貌的影响
• 2 管掺杂改性的研究'>3.3.2 纳米TiO₂管掺杂改性的研究
• 3.4 掺杂机理的探讨
• 3.5 小结
• 2 纳米管的光催化活性研究'>4 TiO₂纳米管的光催化活性研究
• 4.1 实验试剂及仪器
• 4.1.1 实验试剂
• 4.1.2 实验仪器
• 4.2 光催化活性研究实验方法
• 4.2.1 亚甲基蓝浓度－吸光度标准曲线的绘制
• 2 纳米管光催化活性影响'>4.2.2 热处理温度对TiO₂纳米管光催化活性影响
• 2 纳米管光催化活性的影响'>4.2.3 掺杂改性对TiO₂纳米管光催化活性的影响
• 2 纳米管光催化活性的影响'>4.2.4 不同光催化条件对TiO₂纳米管光催化活性的影响
• 4.2.5 亚甲基蓝光催化降解反应动力学分析
• 2 纳米管光催化降解亚甲基蓝反应体系中COD 的去除率'>4.2.6 TiO₂ 纳米管光催化降解亚甲基蓝反应体系中COD 的去除率
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 亚甲基蓝浓度－吸光度标准曲线的绘制
• 2 纳米管光催化活性影响'>4.3.2 热处理温度对TiO₂纳米管光催化活性影响
• 2 纳米管光催化活性的影响'>4.3.3 掺杂改性对TiO₂纳米管光催化活性的影响
• 2 纳米管光催化活性的影响'>4.3.4 不同光催化条件对TiO₂纳米管光催化活性的影响
• 4.3.5 亚甲基蓝光催化降解反应动力学分析
• 2 纳米管光催化降解亚甲基蓝反应体系中COD 的去除率'>4.3.6 TiO₂ 纳米管光催化降解亚甲基蓝反应体系中COD 的去除率
• 4.4 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录