论文摘要
在众多的半导体光催化材料当中,二氧化钛（TiO2）因其光催化活性高、紫外线屏蔽性强、热导性好、分散性好且价廉、无毒、无二次污染等优点而成为一种最受重视的光催化半导体材料。而氧化亚铜（Cu2O）则是少有的能被可见光激发的半导体材料,其禁带宽度约为2.1eV,可以被波长为400-800nm的可见光激发;另外Cu2O无毒,制备成本低,理论利用效率较高。也正是由于这两种半导体的诸多优点而在光催化领域中有着广阔的应用前景。因此,本论文通过简单方法分别合成出不同形貌的TiO2纳米材料、亚微米尺寸的Cu2O八面体及两者的掺杂体,并对典型的有机污染物及实际污水进行了降解研究,旨在为以后的科学研究和实际应用提供必要的理论依据。本论文包括两部分内容。第一部分为TiO2和Cu2O两种半导体光催化材料及掺杂体的合成与表征。分别采用水热合成法和常温液相法,通过改变反应条件、控制反应参数分别制得了形貌规则、粒径均匀、尺寸不同的光催化材料。在第一章中,采用水热合成法制得了晶型、形貌可控的TiO2纳米粒子。且随体系pH值的变化,得到的TiO2纳米粒子的尺寸、晶型、形貌都有所不同。体系的pH值小于10时,可得到粒径一致、分布均匀的球形TiO2纳米粒子,而且,体系的酸性越强,得到的纳米粒子的粒径越小,最小粒径可达7nm,所得产物为锐钛矿型;当体系的pH=11时,则能够得到较规则的、长径比约为6 ?1的TiO2短棒,产物的晶型仍为锐钛矿;当体系的pH值进一步增大时,则可制得由锐钛矿向板钛矿过渡的蝴蝶结形的TiO2纳米材料。由于细微的粒子直接应用于废水处理时,分离、回收较困难,而TiO2纳米管和纳米纤维不但能弥补分离、回收难的这一缺点,同时又可以保证良好的光催化活性。所以,在本文的第二章中,以所合成的TiO2纳米粒子为原料,通过改变条件,进一步合成出了外径约为10nm,内径约为8nm,长度约在100-200nm之间的纳米管和直径约为40-60nm,长度约为10-20μm的纤维。产物粗细均匀,形貌良好。Cu2O作为半导体材料的一种,在太阳光的照射下即可引发光催化反应,是一种极具开发前景的绿色环保催化剂之一,在环境保护中对有机污染物降解处理方面的应用得到了很大的发展,正日益显示出其重要性。在本文的第三章中,采用一种简单的液相方法,在室温下可控制得亚微米尺寸Cu2O八面体。该实验操作简单,反应周期短,在常温下即可进行;原料廉价易得,无需任何助剂及复杂仪器,产物的外形和尺寸可通过改变NaOH的浓度进行调节;而且,产物除了醋酸盐之外,没有其他有机污染物生成,对环境友好;产率较高,易于工业生产。为了改善材料的光催化性能,本研究还合成了Cu2O/TiO2及TiO2/Cu2O的掺杂体。合成产物用X-射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、选区电子衍射（SAED）等表征手段进行表征。第二部分为光催化降解部分。在第五、第六章中,采用上述合成的TiO2纳米材料为光催化剂,分别对苯酚、硝基苯模拟水样进行降解研究。考察了被降解物的初始浓度、反应体系的pH值、光催化剂的加入量、光催化剂形貌的不同等因素对降解效率的影响。光催化降解的反应器为环型反应器,降解的光源为紫外光源。降解过程中需定时取样,萃取、浓缩富集后用GC/MS进行监测。通过文献调研及监测过程中中间体的出现,初步推测了苯酚及硝基苯的降解机理。在第七章中,我们采用亚微米尺寸的Cu2O和TiO2/Cu2O的掺杂体为光催化剂,在可见光条件下对亚甲基蓝进行降解。结果显示,TiO2/Cu2O掺杂体的光催化性能比掺杂前的光催化性能有所增强,且TiO2的掺杂量为3%时,对亚甲基蓝进行光催化降解的效率最高,2h后降解率达95%以上。第八章中,我们采用TiO2纤维和Cu2O/TiO2掺杂体对实际的工业废水进行降解研究,在相同条件下考察TiO2纤维掺杂前后对废水的降解效率。经COD测定,掺杂后的TiO2纤维的光催化性能略有增强,且Cu2O的掺杂量为5%时,降解效率最高,5h后降解率达90%以上。