氨基酸模板仿生合成纳米TiO2及其性能研究

论文摘要

纳米材料的粒子大小在1～100nm之间,除具备体相材料基本特性外,还具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应以及宏观量子隧道效应。纳米TiO2是目前被广泛关注的纳米材料之一,具有比表面积大、表面张力大、熔点低、磁性强、吸收紫外线能力强、表面活性大、导热性能好、分散性好等特点,被广泛主要应用在光催化领域,包括废水治理、空气净化、杀菌抗菌等,以及化妆品、纺织、陶瓷、医药及太阳能电池等领域。合成纳米TiO2的传统方法有气相法和液相法,其中液相法包括水热合成法、溶胶-凝胶法、微乳法和液相沉淀法等。近年来,利用仿生合成的方法制备纳米TiO2已日渐成为当今的研究热点,它是利用生物分子（包括蛋白质、多糖、氨基酸等）作为模板剂,通过调控合成过程实现对产物大小、形状及晶型的控制。本文利用仿生合成的方法,以甘氨酸为模板剂,钛酸正四丁酯作钛源,水热合成一种纳米TiO2花式分层微球,并利用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）以及比表面积孔径分析仪对样品的物相、形貌、微观结构及孔径分布等参数进行表征,结果显示：纳米TiO2花式微球由厚度约20nm的纳米片组成,直径约2μm,平均孔径约56μm,比表面积约是270.3m2·g-1。通过研究反应时间、温度、pH及甘氨酸添加量对产物形貌的影响,探讨了花式微球的形成机理。研究结果表明：花式微球的形成是Oswald熟化过程,且反应温度、溶液pH及甘氨酸添加量对产物形貌及晶型有很大影响。考察了pH值、时间、温度和Pb（Ⅱ）溶液的初始浓度对吸附效果的影响,研究TiO2花式微球对水溶液中Pb（Ⅱ）的吸附性能及其吸附动力学特性。结果表明：当pH值为4.0时纳米TiO2花式微球对溶液中Pb（Ⅱ）吸附率达到最高,210min时基本达到吸附平衡,20℃、30℃和40℃的最大吸附量分别为75.64、76.34和77.52mag.g-1。吸附过程遵循准二级速率方程,与Langmuir等温式拟合更好。纳米TiO2花式微球光催化降解甲基橙,研究溶液pH、甲基橙初始浓度、反应时间及催化剂添加量对降解率的影响,并利用响应面法对影响降解率的主要因素进行了优化。结果表明：在太阳光照条件下,纳米TiO2花式微球作为催化分解H2O2,进而氧化降解甲基橙。与对照样品相比较,纳米TiO2花式微球对甲基橙的降解率30min已达到98%。通过对回归方程的分析,计算得到最佳组合为：甲基橙溶液pH为4.02、甲基橙溶液初始浓度为9.06mg/L、TiO2添加量为22.78mg。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 纳米材料

1.1.1 纳米材料简介

1.1.2 纳米材料的性质

2的合成及其表征'>1.2 纳米TiO₂的合成及其表征

2的传统合成方法'>1.2.1 纳米TiO₂的传统合成方法

2'>1.2.2 仿生合成法制备纳米TiO₂

2材料的表征方法'>1.2.3 纳米TiO₂材料的表征方法

2的应用'>1.3 纳米TiO₂的应用

2作为光催化剂的应用'>1.3.1 纳米TiO₂作为光催化剂的应用

1.3.2 太阳能电池

1.3.3 化妆品领域

1.3.4 气体传感器

1.4 本课题的选题背景、研究意义及主要内容

2及其表征'>第2章氨基酸模板仿生合成纳米TiO₂及其表征

2.1 试验材料

2.1.1 药品

2.1.2 试验仪器

2.2 试验方法

2'>2.2.1 L-半胱氨酸/L-脯氨酸模板合成TiO₂

2'>2.2.2 D-色氨酸/甘氨酸模板合成TiO₂

2.2.3 表征手段

2.3 结果与讨论

2.3.1 氨基酸模板剂选择

2'>2.3.2 甘氨酸模板合成纳米TiO₂

2.4 本章小结

2花式分层微球的形成机理'>第3章纳米TiO₂花式分层微球的形成机理

3.1 试验材料

3.1.1 药品

3.1.2 试验仪器

3.2 试验方法

2纳米花式微球的仿生合成'>3.2.1 TiO₂纳米花式微球的仿生合成

3.2.2 表征手段

3.3 结果与讨论

3.3.1 反应时间对形貌的影响

3.3.2 反应温度对样品形貌的影响

3.3.3 pH对形貌的影响

3.3.4 甘氨酸添加量对形貌的影响

3.4 本章小结

2花式分层微球对溶液中Pb（Ⅱ）的吸附性能研究'>第4章纳米TiO₂花式分层微球对溶液中Pb（Ⅱ）的吸附性能研究

4.1 试验材料

4.1.1 药品

4.1.2 试验仪器

4.2 试验方法

4.2.1 Pb（Ⅱ）标准曲线的绘制

2花式微球对Pb（Ⅱ）的吸附试验'>4.2.2 纳米TiO₂花式微球对Pb（Ⅱ）的吸附试验

4.3 结果与讨论

4.3.1 Pb（Ⅱ）标准曲线

2花式微球对溶液中Pb（Ⅱ）的吸附性能'>4.3.2 纳米TiO₂花式微球对溶液中Pb（Ⅱ）的吸附性能

4.3.3 吸附动力学特性

4.4 本章小结

2花式分层微球的光催化性能研究'>第5章纳米TiO₂花式分层微球的光催化性能研究

5.1 试验材料

5.1.1 药品

5.1.2 试验仪器

5.2 试验方法

5.2.1 绘制甲基橙溶液标准曲线

2花式微球光催化降解甲基橙'>5.2.2 纳米TiO₂花式微球光催化降解甲基橙

5.2.3 响应面设计法优化催化条件

5.3 结果与讨论

5.3.1 甲基橙溶液标准曲线

5.3.2 反应时间对甲基橙降解率的影响

5.3.3 溶液pH对甲基橙降解率的影响

5.3.4 甲基橙溶液初始浓度对降解率的影响

2花式微球添加量对降解率的影响'>5.3.5 TiO₂花式微球添加量对降解率的影响

2O₂体积对降解率的影响'>5.3.6 H₂O₂体积对降解率的影响

5.3.7 响应面设计法对催化降解甲基橙条件的优化

5.4 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

研究生在读期间发表的论文情况

致谢

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