核壳结构界面光催化剂的制备及其吸附性研究

论文摘要

光催化可以直接利用太阳光作为光源来驱动反应、无污染、反应条件温和,是一种理想的环境污染治理技术和清洁能源的生产技术。在各种光催化剂中,二氧化钛以其无毒、价廉、光催化活性高、化学性质稳定等特点,得到了广泛应用。传统的二氧化钛光催化剂通常使用悬浮相催化,尽管其降解效率较高,但同时存在催化剂难以分离回收和反应必须施加机械搅拌的问题。此外,当溶液为浑浊相时,光催化剂吸收的光量子数势必减少,导致光催化剂反应速率降低。目前常用的解决方法是将催化剂负载在有机或者无机载体上,但是载体的使用具有很大的局限性,严重限制了化学活性种在物质间的传输。本论文制备了一种中空型界面光催化剂,并将其应用在界面光催化体系中,从而有效地解决了悬浊体系和负载体系的不足。通过对界面光催化剂的合成工艺,反应机理,光催化降解有机物以及界面光催化剂的一些特性方面进行了探讨。具体研究内容和结果如下:以商用P25型TiO2和正硅酸乙酯（TEOS）为原料,利用水热法和溶胶凝胶法制备出具有核壳中空结构的纳米复合光催化剂（TiO2@@SiO2）,并在此基础上采用硅烷偶联剂对核壳中空粒子进行表面烷基化处理,制备出了一种能漂浮在液面的界面型光催化剂（TiO2@@SiO2-O）。论文考察了不同温度和偶联剂对其表面性质和光催化活性的影响,从而确定了制备工艺的最佳条件。通过对界面光催化剂进行长时间的紫外光照,考察了界面光催化剂的光稳定性及其光催化活性,结果表明,TiO2由于自身的强氧化性会使接枝在表面的有机基团发生降解,而TiO2@@SiO2-O由于有机疏水基团是接枝在表层的SiO2上,避免了TiO2与有机疏水基团的直接接触,有效的保护了表面疏水基团,因此在紫外光照射下,TiO2@@SiO2-O粒子能稳定存在,而外层的多孔性硅能使有机物分子进入到中空层内部,并进行有效的光催化反应。相界面催化是多相光催化体系的一种新概念,本论文通过对界面光催化体系的研究,考察了界面光催化剂在体系中的催化效率。结果表明,与传统的悬浮体系和负载体系相比,界面光催化剂能平铺于液面,并且无需搅拌就能参与反应,该体系大大拓展了TiO2的应用范围。通过界面光催化剂对各种不同染料的吸附性测试,研究了界面光催化剂的选择性吸附现象,结果表明,界面光催化剂对阳离子染料具有很强的吸附性,而对阴离子染料的吸附性较弱,这种吸附性与染料的表面电荷及其分子结构有着一定的关系。这种特异性的选择吸附对于光催化的进行有着重要的影响,并且在对物质的提纯和浓缩等方面有很大研究价值,这将为催化剂的应用开辟新的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 光催化研究进展
• 1.2.1 光催化的研究起源
• 2 光催化剂的性质'>1.2.2 TiO₂光催化剂的性质
• 1.2.2.1 Ti02 的晶型结构
• 2 的光催化原理'>1.2.2.2 TiO₂的光催化原理
• 2 纳米材料的改性'>1.2.3 TiO₂纳米材料的改性
• 1.2.3.1 非金属元素掺杂
• 1.2.3.2 金属离子掺杂
• 1.2.3.3 染料光敏化
• 1.2.3.4 贵金属沉积
• 1.2.3.5 半导体复合
• 1.2.4 现有光催化体系及其缺陷
• 1.2.5 相界面光催化剂的研究进展
• 1.3 本论文研究思路
• 1.4 研究目的
• 1.5 研究的意义和内容
• 第二章 核壳结构界面光催化剂的制备及性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要试剂与仪器设备
• 2.2.1.1 主要试剂
• 2.2.1.2 主要仪器
• 2.2.2 实验内容
• 2.2.2.1 核壳中空粒子的制备
• 2.2.2.2 界面光催化剂的制备
• 2.2.2.3 界面光催化剂最佳制备条件的探讨
• 2.2.2.4 催化剂的表面性质测试
• 2.2.2.5 催化剂活性的测试方法
• 2.2.3 催化剂的表征
• 2.2.3.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
• 2.2.3.2 热重测试（TG）
• 2.2.3.3 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.2.3.4 紫外-可见光谱（UV-Vis）
• 2.2.3.5 气相色谱测试（GC）
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 界面光催化剂的反应机理
• 2.3.2 有机链长度对催化剂性质的影响
• 2.3.3 回流温度对催化剂的性质的影响
• 2.3.4 界面光催化剂表面基团的红外分析
• 2.3.5 界面光催化剂的热重分析
• 2.3.6 界面光催化剂的XRD 分析
• 2.3.7 界面光催化剂的接触角分析
• 2.3.8 界面光催化剂的光稳定性
• 2.3.9 机械搅拌对光催化活性的影响
• 2.3.10 界面光催化剂的光催化活性
• 2.4 结论
• 第三章 核壳结构界面光催化剂的吸附特性及表征
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 主要试剂与仪器设备
• 3.2.1.1 主要试剂
• 3.2.1.2 主要仪器
• 3.2.2 界面催化剂对染料的吸附性测试
• 3.2.3 界面光催化剂的特性表征
• 3.2.3.1 热重分析（TG）
• 3.2.3.2 比表面（BET）及孔径分布
• 3.2.3.3 光活性测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 界面光催化剂对罗丹明B 的吸附
• 3.3.2 界面光催化剂吸附前后的比表面积及孔径分析
• 3.3.3 界面光催化剂对不同染料的吸附
• 3.3.4 界面光催化剂对混合染料的吸附
• 3.3.5 界面光催化剂的选择性吸附机理探讨
• 3.3.6 界面光催化剂的吸附性对其光催化性能的影响
• 3.4 结论
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 应用性与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢