尖晶石型铝酸盐粉体水热法制备及其可见光催化性能的研究

论文摘要

光催化氧化技术是指利用半导体光催化剂、通过光作用氧化降解水和空气中的有机污染物的技术。它具有效率高、操作条件易控制、非选择性氧化、无二次污染等突出特点，为有机污染物的工业化处理提供了新的途径，有着广阔的应用前景。目前常用的半导体光催化剂（如TiO2）通常带隙较宽，仅在紫外光范围内有响应，难以实现有效地转化和利用太阳能，光催化降解效率较低。因此研制新型的可见光响应半导体光催化材料（如尖晶石型AB2O4光催化剂）,成为光催化材料重要的研究热点。本文采用水热法制备尖晶石型铝系化合物NAl2O4（N=Zn,Cu,Ni），利用XRD、TEM、UV-vis DRS等测试手段对三种尖晶石型光催化剂的晶型结构、表面形貌和光吸收响应范围进行了分析。并以其为光催化剂对三种水溶性染料（甲基橙、活性艳红K-2G、酸性红B）进行可见光催化降解实验，以染料的降解脱色率和COD去除率对样品的可见光催化活性进行表征。对由水热法制备的光催化活性较好的ZnAl2O4进行了重点研究，并讨论了水热反应条件及催化剂的用量对其光催化性能的影响。研究结果表明：利用水热法能够在较低温度下制备尖晶石型NiAl2O4、ZnAl2O4化合物，同时对水热法制备的CuAl2O4前驱物进行热处理制得了尖晶石型CuAl2O4样品。通过对NAl2O4（N=Zn，Cu，Ni）的光催化活性分析发现，三种样品均具有优异的光催化性能，催化降解2h后三种染料溶液的降解脱色率和COD去除率均可达到80%和50％以上。从N位离子半径、d电子数以及禁带宽度等角度解释了三种样品的光催化活性存在的差异。对ZnAl2O4的光催化活性分析表明，水热反应温度和pH值对ZnAl2O4样品的光催化活性影响较大，反应温度为245℃、pH值为10时所制得样品对甲基橙溶液的催化降解效果最佳，光照2h的降解脱色率均达到90％以上；而水热反应时间对样品的光催化活性的影响并不十分显著，随着水热反应时间的延长，样品对甲基橙溶液的降解脱色率变化不大；同时考虑光催化剂的用量对其光催化性能的影响，确定ZnAl2O4光催化剂的用量为2g/L时其达到最佳的光催化降解效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 文献综述
• 2.1 半导体光催化技术的概述
• 2.2 半导体光催化机理
• 2.2.1 光催化机理
• 2.2.2 光催化机理研究的争议点
• 2.2.2.1 羟基自由基
• 2.2.2.2 价带空穴
• 2.2.2.3 吸附作用和反应位点
• 2.3 影响光催化反应的因素
• 2.3.1 催化剂种类
• 2.3.2 染料结构
• 2.3.3 pH 值的影响
• 2.3.4 表面活性剂
• 2.3.5 外加电子捕获剂
• 2.4 提高半导体光催化效率的方法
• 2.4.1 纳米光催化剂
• 2.4.2 催化剂表面贵金属沉积
• 2.4.3 金属离子掺杂
• 2.4.4 复合半导体
• 2.4.5 半导体光催化剂的光敏化
• 2.5 尖晶石型光催化剂的制备方法
• 2.5.1 水热法
• 2.5.2 溶胶-凝胶法
• 2.5.3 沉淀法
• 2.5.4 微乳液法
• 2.5.5 固相法
• 2.6 水体中有机污染物处理技术的研究进展
• 2.6.1 物理法
• 2.6.2 物化处理法
• 2.6.2.1 混凝沉降
• 2.6.2.2 吸附法
• 2.6.2.3 萃取法
• 2.6.2.4 电化学法
• 2.6.2.5 化学氧化法
• 2.6.2.6 光催化氧化法
• 2.6.2.7 高温深度氧化法
• 2.6.3 生物处理法
• 2.6.3.1 好氧生物处理
• 2.6.3.2 厌氧生物处理
• 2.6.3.3 厌氧-好氧联合处理法
• 第三章 实验方法
• 3.1 实验概述
• 3.2 样品制备
• 3.2.1 原料及设备
• 3.2.2 实验过程
• 3.3 尖晶石型光催化剂的表征
• 3.4 可见光催化性能的表征
• 3.4.1 降解脱色率的测定
• 3.4.2 化学需氧量的测定
• 第四章 结果与讨论
• 2O₄（N=Zn, Cu, Ni）样品的 X 射线衍射（XRD）分析'>4.1 尖晶石 NAl₂O₄（N=Zn, Cu, Ni）样品的 X 射线衍射（XRD）分析
• 2O₄样品的 XRD 分析'>4.1.1 尖晶石型 ZnAl₂O₄样品的 XRD 分析
• 2O₄样品的 XRD 分析'>4.1.2 尖晶石型 CuAl₂O₄样品的 XRD 分析
• 2O₄样品的 XRD 分析'>4.1.3 尖晶石型 NiAl₂O₄样品的 XRD 分析
• 2O₄（N=Ni,Cu,Zn）样品的透射电镜（TEM）分析'>4.2 尖晶石 NAl₂O₄（N=Ni,Cu,Zn）样品的透射电镜（TEM）分析
• 4.3 样品的紫外-可见漫反射吸收光谱（DRS）分析
• 2O₄样品的 DRS 分析'>4.3.1 尖晶石 ZnAl₂O₄样品的 DRS 分析
• 2O₄样品的 DRS 分析'>4.3.2 尖晶石 CuAl₂O₄样品的 DRS 分析
• 2O₄样品的 DRS 分析'>4.3.3 尖晶石 NiAl₂O₄样品的 DRS 分析
• 2O₄（N=Ni,Cu,Zn）样品的光催化性能分析'>4.4 尖晶石 NAl₂O₄（N=Ni,Cu,Zn）样品的光催化性能分析
• 4.4.1 染料溶液标准曲线绘制
• 4.4.2 样品的光催化降解脱色率分析
• 4.4.3 染料溶液的 COD 去除率分析
• 4.4.4 光催化反应速率
• 4.4.5 样品光催化性能的比较分析
• 2O₄样品光催化活性分析'>4.5 ZnAl₂O₄样品光催化活性分析
• 2O₄样品光催化活性的影响'>4.5.1 不同水热温度对 ZnAl₂O₄样品光催化活性的影响
• 2O₄样品光催化活性的影响'>4.5.2 不同 pH 值对 ZnAl₂O₄样品光催化活性的影响
• 2O₄样品光催化活性的影响'>4.5.3 不同反应时间对 ZnAl₂O₄样品光催化活性的影响
• 2O₄样品光催化效果的影响'>4.5.4 催化剂的用量对 ZnAl₂O₄样品光催化效果的影响
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢