气固多相光催化过程的磁场效应研究

论文摘要

提高二氧化钛半导体的光催化量子效率一直是光催化研究的热点。我们实验室在国际上首次报道,施加磁场可以明显提高Pt/TiO2光催化氧化苯的效率。本论文在这项研究工作的基础上,以Pt/TiO2为光催化剂,以乙烯、苯和叔丁醇为目标降解物,系统地考察了磁场对气固多相光催化过程的影响,以便揭示光催化磁场效应的本质。论文采用改进溶胶-凝胶法制备出TiO2溶胶,然后采用浸渍法和还原将Pt负载到TiO2干凝胶表面而得到Pt/TiO2样品。用XRD 表征了样品的晶相组成和晶粒尺寸;用DRS 测定了样品的吸收性质;采用连续流动微分光催化反应系统考察了在磁场存在下样品对乙烯、苯和叔丁醇的光催化降解反应活性。为了确定磁场对光源的影响,在反应过程中采用高斯计检测外加磁场的强度,用紫外辐照计测定光强变化,用数字功率计检测了紫外灯管的有功功率。并用时间分辨荧光光谱仪测量了磁场对光源波长的影响。研究得到如下重要结果和结论:（1）证实磁场对苯、乙烯和叔丁醇光催化转化率和矿化率的影响取决于光催化反应装置,当紫外灯管靠近磁场或者置于磁场中照射反应器时,磁场效应非常显著,可以显著提高光催化过程的效率;而当光源远离磁场或者用光导纤维传导照射反应器时,磁场对光催化反应的影响则变得很不明显。（2）发现磁场对紫外灯管发光强度有非常显著的影响,磁场强度越大,灯管发光强度越高,但磁场不影响光源的波长分布。（3）在不排除磁场对光源影响的情况下,即当灯管靠近磁场磁极时,磁场对气相光催化降解反应的促进作用主要是由于磁场在所考察范围提高了紫外灯管的发光强度,发光强度的增加一方面提高了催化剂的光吸收率,另一方面导致反应体系温度升高,从而导致了光催化反应效率提高。（4）外加磁场所产生的温度效应比光强效应更明显。论文的主要创新性是:发现磁场主要是影响光源强度,光强的增强提高了催化剂的光吸收和反应体系的反应温度,从而提高了气固多相光催化过程的效率,这对相关研究具有十分重大的意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 半导体光催化
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 光催化的基本原理
• 1.1.3 光催化学科发展动态
• 1.1.4 提高光催化效率的途径
• 2 光催化剂的改性'>1.1.4.1 TiO₂光催化剂的改性
• 2 的制备'>1.1.4.1.1 纳米 TiO₂的制备
• 1.1.4.1.2 表面贵金属沉积
• 1.1.4.1.3 表面离子修饰
• 1.1.4.1.4 表面酸修饰
• 1.1.4.2 半导体复合
• 1.1.4.3 半导体表面光敏化和表面螯合
• 1.2 外场辅助光催化
• 1.2.1 电场
• 1.2.2 微波场
• 1.2.3 超声波
• 1.2.4 热场
• 1.2.5 磁场
• 1.3 磁场对化学反应的影响
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 磁场化学的基本原理
• 1.3.2.1 磁场化学的一些术语
• 1.3.2.1.1 单线态、三线态
• 1.3.2.1.2 系间跃迁
• 1.3.2.1.3 △g 机理和超精细偶合机理（HFCM）
• 1.3.2.1.4 笼产物和笼外产物
• 1.1.3.2 磁场对自由基的影响
• 1.4 本论文的立题依据和研究思路
• 第二章 实验部分
• 2.1 主要试剂
• 2.2 主要设备和仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 催化剂制备
• 2.3.2 光催化剂晶相结构表征
• 2.3.3 光催化剂吸收性质
• 2.3.4 催化剂比表面积测定（BET）
• 2.3.5 光催化反应的活性评价装置和方法
• 2.3.6 灯管发光强度的测量
• 2.3.7 灯的有功功率的测量
• 2.3.8 灯管发射波长的测量
• 第三章 光催化剂样品的结构和理化性能
• 2和Pt/TiO₂ 的XRD 晶相结构'>3.1 TiO₂和Pt/TiO₂ 的XRD 晶相结构
• 2和Pt/TiO₂的N₂ 吸附测定'>3.2 TiO₂和Pt/TiO₂的N₂吸附测定
• 2和Pt/TiO₂ 的DRS 光吸收性质'>3.3 TiO₂和Pt/TiO₂ 的DRS 光吸收性质
• 3.4 小结
• 第四章 磁场对降解有机污染物光催化降解过程的影响
• 4.1 反应外扩散与内扩散的排除
• 4.2 磁场对苯光催化降解的影响
• 4.3 磁场对乙烯光催化降解的影响
• 4.4 小结
• 第五章 磁场对光源的影响及光源对光催化反应的影响
• 5.1 磁场对光源的影响
• 5.2 光源对光催化反应的影响
• 5.3 小结
• 第六章 气相光催化过程的净磁场效应
• 6.1 苯和乙烯光催化降解的净磁场效应
• 6.2 叔丁醇光催化降解的净磁场效应
• 6.3 讨论
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历