过渡金属掺杂混晶TiO2的制备及光催化活性研究

论文摘要

随着工业化进程的发展,人们的生活水平得到较大幅度的提高,但与此同时我们也面临着巨大的能源短缺和环境污染问题,给人类的生存带来了负面的影响。大量的含有机污染物的工业废水未被处理直接排入江河湖海,给我们人类的健康和其他生物的生存带来了极大的威胁。如何有效地去除残存在工业废水中的有毒污染物如表面活性剂、染料、贵金属离子等已成为人们研究的重点。为了解决这一问题,人们做了大量的研究工作,采用了各种不同的方法如物理吸附、生物降解、半导体催化、气提法等来去除水中的有毒物质。但由于工业废水中的有毒化合物大多含有苯环分子结构,目前所使用的物理和生物等处理方法效果均不佳,而近年来兴起的可以将有毒污染物完全破坏掉的高级氧化技术则愈来愈受到人们的重视。在高级氧化技术中TiO2作为光催化剂,具有化学性质稳定、价廉易得、无毒、催化效率高等优点,因而得到广泛的研究和应用。但是,由于TiO2的带隙较宽（Eg = 3.2 eV）,可利用的激发光仅限于紫外光（λ< 387 nm）,而太阳光中仅含3 %5%左右的紫外光,使用紫外光降解各种废水需耗费大量能源,而且还需要昂贵的设备。所以近年来,人们就如何提高TiO2的光催化活性做了大量的研究工作。通过改性TiO2,如:表面敏化、表面有机改性、过渡金属离子掺杂、非金属元素掺杂、半导体复合、酸碱改性等一些修饰技术以提高TiO2对可见光的利用率。通常,作为光催化剂来说,混晶TiO2比锐钛型TiO2和金红石型TiO2的光催化活性都要高,通过热处理使部分TiO2从亚稳态的锐钛型向稳态的金红石型转化,从而得到具有高光催化活性的混晶TiO2。同时,研究人员发现,某些过渡金属离子掺杂同样可以提高TiO2的光催化活性。我们通过溶胶-凝胶和热处理的方法实现了以上两种方法的结合,合成了Fe、Co、Cr离子掺杂的混晶TiO2粉末,并利用XRD、TEM、TG-DTA、FT-IR等表征手段对制备的过渡金属掺杂混晶TiO2粉末进行了表征。以制备的过渡金属掺杂混晶TiO2粉末为光催化剂,在太阳光/可见光照射下降解染料废水,并考察了过渡金属离子掺杂量、热处理温度、热处理时间、催化剂加入量、染料浓度、溶液pH值、照射时间对降解率的影响。结果表明:合成的过渡金属掺杂混晶TiO2具有很高的光催化活性,在太阳光/可见光照射下降解染料废水溶液,取得了很好的效果,达到了在太阳光照射下降解工业废水的目的,为大规模利用太阳光降解工业废水开辟了新的道路,具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 0.1 研究目的与意义
• 2晶型和结构简介'>0.2 TiO₂晶型和结构简介
• 2的能带结构简介'>0.3 TiO₂的能带结构简介
• 2光催化机理简介'>0.4 TiO₂光催化机理简介
• 2光催化活性的主要方法'>0.5 改进TiO₂光催化活性的主要方法
• 0.6 本论文研究内容
• 2催化剂的制备及光催化活性研究'>第1章 混晶 TiO₂催化剂的制备及光催化活性研究
• 1.1 实验药品
• 1.2 实验仪器
• 2的制备'>1.3 混晶TiO₂的制备
• 2光催化活性研究方法'>1.4 混晶TiO₂光催化活性研究方法
• 1.5 结果与讨论
• 2的XRD 和TEM'>1.5.1 混晶TiO₂的XRD 和TEM
• 1.5.2 红外光谱分析
• 1.5.3 光源的性质
• 1.5.4 热处理温度的影响
• 1.5.5 热处理时间的影响
• 1.5.6 罗丹明B 溶液的紫外-可见吸收光谱
• 1.5.7 溶液初始浓度对罗丹明B 降解率的影响
• 1.5.8 溶液pH 值对罗丹明B 降解率的影响
• 1.5.9 催化剂加入量对罗丹明B 降解率的影响
• 1.5.10 照射时间对罗丹明B 降解率的影响
• 1.5.11 罗丹明B 溶液离子色谱
• 1.6 小结
• 2的制备及光催化活性研究'>第2章 Fe 掺杂混晶 TiO₂的制备及光催化活性研究
• 2.1 实验药品
• 2.2 实验仪器
• 2的制备'>2.3 Fe 掺杂混晶TiO₂的制备
• 2光催化活性研究方法'>2.4 Fe 掺杂混晶TiO₂光催化活性研究方法
• 2.5 结果与讨论
• 2的XRD 表征'>2.5.1 Fe 掺杂混晶TiO₂的XRD 表征
• 2的TEM 表征'>2.5.2 Fe 掺杂混晶TiO₂的TEM 表征
• 2干凝胶粉末的TG-DTA 表征'>2.5.3 Fe 掺杂混晶TiO₂干凝胶粉末的TG-DTA 表征
• 2.5.4 光源的性质
• 2.5.5 Fe 掺杂量的影响
• 2.5.6 热处理温度的影响
• 2.5.7 照射时间对偶氮品红降解率的影响
• 2.5.8 溶液pH 值对偶氮品红降解率的影响
• 2.5.9 溶液初始浓度对偶氮品红降解率的影响
• 2.5.10 催化剂加入量对偶氮品红降解率的影响
• 2.5.11 偶氮品红溶液离子色谱
• 2.6 小结
• 2的制备及光催化活性研究'>第3章 Co 掺杂混晶 TiO₂的制备及光催化活性研究
• 3.1 实验药品
• 3.2 实验仪器
• 2的制备'>3.3 Co 掺杂混晶TiO₂的制备
• 2光催化活性研究方法'>3.4 Co 掺杂混晶TiO₂光催化活性研究方法
• 3.5 结果与讨论
• 2的XRD 表征'>3.5.1 Co 掺杂混晶TiO₂的XRD 表征
• 2的TEM 表征'>3.5.2 Co 掺杂混晶TiO₂的TEM 表征
• 2干凝胶粉末的TG-DTA 表征'>3.5.3 Co 掺杂混晶TiO₂干凝胶粉末的TG-DTA 表征
• 2的FT-IR 表征'>3.5.4 Co 掺杂混晶TiO₂的FT-IR 表征
• 3.5.5 光源的性质
• 3.5.6 Co 掺杂量的影响
• 3.5.7 热处理温度的影响
• 3.5.8 照射时间对酸性红B 降解率的影响
• 3.5.9 溶液pH 值对酸性红B 降解率的影响
• 3.5.10 溶液初始浓度对酸性红B 降解率的影响
• 3.5.11 降解过程中酸性红B 溶液的离子色谱
• 3.5.12 酸性红B 溶液的HPLC
• 3.6 小结
• 2的制备及光催化活性研究'>第4章 Cr 掺杂混晶 TiO₂的制备及光催化活性研究
• 4.1 实验药品
• 4.2 实验仪器
• 2的制备'>4.3 Cr 掺杂混晶TiO₂的制备
• 2光催化活性研究方法'>4.4 Cr 掺杂混晶TiO₂光催化活性研究方法
• 4.5 结果与讨论
• 2的XRD 表征'>4.5.1 Cr 掺杂混晶TiO₂的XRD 表征
• 2的TEM 表征'>4.5.2 Cr 掺杂混晶TiO₂的TEM 表征
• 2干凝胶粉末的TG-DTA 表征'>4.5.3 Cr 掺杂混晶TiO₂干凝胶粉末的TG-DTA 表征
• 2的FT-IR 表征'>4.5.4 Cr 掺杂混晶TiO₂的FT-IR 表征
• 4.5.5 光源的性质
• 4.5.6 Cr 掺杂量的影响
• 4.5.7 热处理温度的影响
• 4.5.8 照射时间对酸性红B 降解率的影响
• 4.5.9 溶液pH 值对酸性红B 降解率的影响
• 4.5.10 溶液初始浓度对酸性红B 降解率的影响
• 4.5.11 降解过程中酸性红B 溶液的离子色谱
• 4.5.12 酸性红B 溶液的HPLC
• 4.6 小结
• 第5章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况