TiO2纳米花和HAP/TiO2的制备、表征及其光催化降解有机污染物的研究

论文摘要

自从在1972年Fujishima和Honda发现n—型半导体材料TiO2可以通过光电催化分解水制氢以来,光催化技术得到了广泛关注,被应用于全球密切关注的太阳能的转换、环境污染治理和清洁燃料的生产。几十年来,人们一直努力开发高活性的半导体光催化剂,目前世界各国已经成功地生产出了多种高效的半导体光催化材料。在众多的半导体氧化物催化剂中,TiO2由于生物和化学惰性、强光催化氧化能力、低成本、长期的稳定性等优点使它得到了广泛的应用：作为光催化剂、去除水和空气中的有机污染物、去除水体的重金属污染物和光解水制氢等等。特别是具有特殊微结构的TiO2半导体材料,它们作为光催化剂在这些方面可能具有更出色的性能和应用潜力。最近,人们在分子水平上对TiO2光催化剂的表面结构进行了研究探索,研究发现锐钛矿TiO2的{001}晶面具有比其它晶面高的化学活性。因此有关{001}晶面TiO2材料合成的研究是目前光催化领域的热点课题之一另一方面,多环芳烃（PAHs）是一类典型的具有“致癌、致畸和致基因突变”特性的持久性有机污染物,来源分布广泛。PAHs在大气颗粒物表面的光化学反应是其重要的转化途径,研究PAHs在催化剂表面光催化降解转化特性具有重要的理论和实际意义。围绕着上面的内容,我们主要开展了以下三个方面的工作：（1）本文采用水热法,利用硫酸钛和氟化氢作为原料合成出TiO2纳米花。同时结合扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、紫外-可见吸收光谱（DRS）、氮气-吸附脱附（BET）、瞬态光伏技术（TPV）、X射线电子能谱（XPS）等手段对样品的结构、形貌及其光学特性进行一系列的表征,并用其降解罗丹明B,使其与P25作对比,发现其催化活性高于P25。（2）由于生物材料羟基磷灰石具有较强的吸附性能,我们通过沉淀法将其与TiO2纳米花负载在一起,这样就把羟基磷灰石的吸附性能与TiO2的光催化活性结合起来,并通过一系列的现代物理手段进行表征,证明羟基磷灰石已经成功的负载到了TiO2上,提高了对光的利用率,通过降解罗丹明B,发现其具有很高的催化活性。（3）本文用原位红外技术作为检测手段来研究TiO2纳米花和HAP/TiO2对典型PAHs——萘的光催化降解行为。实验结果表明,在紫外光的照射下,萘受到光催化作用会发生开环反应,生成酸酐、芳酮、苯酯、羧酸、苯醛等中间产物,这些中间产物最后可被进一步氧化为二氧化碳和水。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 纳米材料的简介
• 1.2 半导体纳米光催化剂
• 2光催化剂的结构及其光催化机理'>1.3 TiO₂光催化剂的结构及其光催化机理
• 2光催化剂的结构'>1.3.1 TiO₂光催化剂的结构
• 2光催化剂的催化机理'>1.3.2 TiO₂光催化剂的催化机理
• 2光催化的改性技术'>1.4 TiO₂光催化的改性技术
• 2高活性晶面的研究'>1.5 制备TiO₂高活性晶面的研究
• 2的方法'>1.5.1 合成以{001}晶面为主的锐钛矿TiO₂的方法
• 1.5.2 水热法/溶剂热过程
• 1.5.3 非水解醇热法
• 1.5.4 高温气相氧化技术
• 1.5.5 其他方法
• 1.6 多环芳烃的研究
• 1.7 萘的研究
• 2花状纳米结构及表征'>2 水热法制备暴露{001}晶面的TiO₂花状纳米结构及表征
• 2.1 研究背景和意义
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验选用的药品和试剂
• 2.2.2 实验选用的仪器
• 2纳米花的制备'>2.2.3 暴露{001}晶面的TiO₂纳米花的制备
• 2纳米花状结构的表征方法'>2.3 暴露{001}晶面的TiO₂纳米花状结构的表征方法
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）表征
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）表征
• 2.3.4 氮气吸附—脱附（Brunauer-Emmet-Teller（BET））表征
• 2.3.5 紫外—可见漫反射（DRS）表征
• 2.3.6 X射线电子能谱（XPS）表征
• 2.3.7 瞬态光伏技术（TPV）表征
• 2.3.8 傅里叶红外光谱（FTIR）表征
• 2.3.9 光催化活性分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2.4.3 氮气吸附—脱附（BET）分析
• 2.4.4 紫外—可见漫反射（DRS）分析
• 2.4.5 瞬态光伏（TPV）技术的分析
• 2.4.6 X射线电子能谱（XPS）的分析
• 2.4.7 傅里叶红外光谱（FTIR）的分析
• 2.4.8 光催化活性的分析
• 2.5 本章小结
• 2纳米花状结构及表征'>3 羟基磷灰石负载TiO₂纳米花状结构及表征
• 3.1 研究背景和意义
• 3.1.1 羟基磷灰石概述
• 3.1.2 羟基磷灰石的结构
• 3.1.3 羟基磷灰石的物理和化学性质
• 3.2 羟基磷灰石的制备
• 2的制备'>3.3 HAP负载TiO₂的制备
• 3.4 实验部分
• 3.4.1 实验选用的药品和试剂
• 3.4.2 实验选用的仪器
• 3.4.3 化学沉淀法制备羟基磷灰石
• 2的制备'>3.4.4 羟基磷灰石负载TiO₂的制备
• 2的表征方法'>3.5 羟基磷灰石和复合材料HAP/TiO₂的表征方法
• 3.6 结果与讨论
• 3.6.1 HAP的扫描电子显微镜（SEM）分析
• 3.6.2 HAP的X射线衍射（XRD）分析
• 3.6.3 HAP的傅里叶红外光谱（FTIR）分析
• 2的扫描电子显微镜（SEM）分析'>3.6.4 复合材料HAP/TiO₂的扫描电子显微镜（SEM）分析
• 2的傅里叶红外光谱（FTIR）的分析'>3.6.5 复合材料HAP/TiO₂的傅里叶红外光谱（FTIR）的分析
• 2的X射线衍射（XRD）分析'>3.6.6 复合材料HAP/TiO₂的X射线衍射（XRD）分析
• 2的紫外—可见漫反射（DRS）分析'>3.6.7 复合材料HAP/TiO₂的紫外—可见漫反射（DRS）分析
• 3.6.8 光催化活性的分析
• 3.7 本章小结
• 2及其HAP/TiO₂对典型多环芳烃——萘的催化降解'>4 TiO₂及其HAP/TiO₂对典型多环芳烃——萘的催化降解
• 4.1 试验药品与仪器
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 2及其HAP/TiO₂对萘的附萘'>4.1.3 TiO₂及其HAP/TiO₂对萘的附萘
• 4.1.4 样品的预处理
• 2及其HAP/TiO₂对萘的表征'>4.2 TiO₂及其HAP/TiO₂对萘的表征
• 4.2.1 萘的傅里叶红外光谱（FTIR）分析
• 2纳米花吸附萘的傅里叶红外光谱（FTIR）分析'>4.2.2 TiO₂纳米花吸附萘的傅里叶红外光谱（FTIR）分析
• 2/HAP吸附萘的傅里叶红外光谱（FTIR）分析'>4.2.3 TiO₂/HAP吸附萘的傅里叶红外光谱（FTIR）分析
• 2及其HAP/TiO₂对萘的催化降解'>4.3 TiO₂及其HAP/TiO₂对萘的催化降解
• 2对萘的催化降解'>4.3.1 TiO₂对萘的催化降解
• 2对萘的催化降解'>4.3.2 HAP/TiO₂对萘的催化降解
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢