系列二氧化钛基纳米粉体的合成与催化性能研究

论文摘要

本论文对纳米半导体光催化氧化进行了概述,对纳米TiO2光催化材料研究现状与进展进行了综述。针对纳米TiO2光催化技术在实际应用中存在的太阳光利用率低以及难以回收利用、光催化氧化技术运行成本偏高等问题,采用溶胶技术合成了非负载型及负载型系列TiO2基纳米粉体,并对粉体进行了过渡金属及稀土掺杂改性,在此基础上对系列TiO2基纳米粉体的光催化活性及生物活性进行了研究,并将所合成的负载型纳米TiO2光催化剂用于实际工业的处理,收到较好的效果;同时,探讨了TiO2基纳米粉体的光催化机理,获得了最佳合成工艺,丰富了钛基纳米材料的研究内容,为半导体光催化材料的开发提供了有价值的信息,亦对拓宽志丹白土的应用范围,开发出一种新型实用的负载型TiO2基光催化材料具有重要的理论价值和现实意义。论文工作主要分为两部分:一、纳米TiO2的合成、改性及催化性能研究采用溶胶-凝胶法合成了纳米TiO2,以紫外灯为实验光源,以甲基橙、酸性品红、次甲基蓝等几种染料和色素的光催化降解为评价体系,研究了纳米TiO2的用量以及光解体系pH值等因素对三种物质光催化降解速率的影响,获取了最佳合成工艺,建立了光解动力学方程。一方面,在此基础上,对纳米TiO2进行Zn2+、La3+等金属离子掺杂改性研究,考察了两种金属离子掺杂对催化剂物相结构、吸收光谱及光催化降解甲基橙性能的影响规律。光解实验表明,掺杂改性后催化剂的光催化活性与掺杂量有关,适量Zn2+和La3+掺杂后催化剂光催化活性较掺杂前均有明显提高,这是掺杂后催化剂晶格畸变程度增加、晶粒细化及对光吸收利用率提高等多种因素综合作用的结果;另一方面,以广泛种植的农作物豌豆为植物探针,初步研究了纳米TiO2对豌豆萌发及幼苗生长的影响规律。结果表明,纳米TiO2对豌豆萌发及幼苗生长的影响与其粒径及投放量有关,投放量越大,粒径越小,其影响作用也越大;投放量在一定范围时,纳米TiO2对豌豆萌发及幼苗生长起促进作用,表现出了较高的生物活性,当投放量超出对应范围时纳米TiO2对豌豆萌发及幼苗生长则具有明显的抑制作用。有关影响作用机理尚无定论,可能与自由基的胁迫作用大小有关。二、TiO2柱撑白土复合光催化剂的合成、改性及光催化性能研究陕西延安志丹县天然白土蕴藏丰富,经过简单处理可获具有层状微孔结构的活性白土,我们以其为载体,合成了TiO2柱撑白土复合催化剂,同时选择另外两种结构类似的载体—活性碳和沸石作对比,考察了负载量和热处理温度对复合催化剂结构及光催化性能的影响规律。物相结构分析表明,TiO2呈分散状态进入白土层中,白土层间距扩大,从而使催化剂具有较高的比表面积;通过负载量和煅烧温度可调变复合催化剂层间距与比表面积,进而微控催化剂的吸附性能和光催化活性。光催化实验表明,当TiO2负载量为66.42%、煅烧温度为400℃时,所得光催化剂在较低投放量下（600 mg·dm-3）表现出了较高的光催化活性,浓度为10 mg·dm-3的甲基橙溶液经紫外光光照后脱色率可达90%以上,高于相同条件下活性炭和沸石负载催化剂及纯纳米TiO2的光催化活性,这是TiO2柱撑白土复合催化剂较高的比表面积、较高的表面酸性以及纳米TiO2和载体白土之间的耦合作用等多种因素的协同作用所致。此外,在自然光下,当投放量为1200 mg·dm-3时,复合光催化剂对延安卷烟厂工业废水表现出了较好的处理效果,废水COD去除率为75.1%,且沉降性能好,易于回收利用。为进一步提高TiO2柱撑白土复合催化剂的光催化性能,采用四种稀土离子（Sm3+,Tm3+,Ho3+,Nd3+）对其进行掺杂改性,考察了稀土元素种类和掺杂量对其结构和光催化活性的影响规律。光催化实验表明,四种稀土元素掺杂均能提高复合光催化剂的光催化性能,相比之下Tm3+掺杂改性效果最佳,当Tm3+掺杂量为0.1%,催化剂活性较高,相同投放量下,对卷烟厂蒸叶废水表现出了更好的处理效果,COD去除率提高到79.6%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 纳米半导体光催化氧化概述
• 1.1 半导体光催化氧化机理
• 1.2 有机污染物的光催化氧化降解机理
• 1.3 光催化反应发生的位置
• 1.4 纳米半导体光催化材料
• 2 光催化技术研究现状与进展'>第二章 纳米 TiO₂光催化技术研究现状与进展
• 2 光催化氧化能力的途径'>2.1 提高纳米 TiO₂光催化氧化能力的途径
• 2.1.1 表面贵金属沉积
• 2.1.2 金属离子掺杂
• 2.1.3 半导体的光敏化
• 2.1.4 复合半导体
• 2.1.5 外加氧化剂
• 2 固定化研究现状与进展'>2.2 纳米 TiO₂固定化研究现状与进展
• 2 固定化研究现状'>2.2.1 纳米 TiO₂固定化研究现状
• 2.2.2 半导体柱撑粘土光催化研究现状与进展
• 2 的生物活性研究现状与进展'>2.3 纳米 TiO₂的生物活性研究现状与进展
• 2.4 研究目的与意义
• 2.4.1 白土的结构、性能与应用
• 2.4.2 研究目的与意义
• 第三章 研究内容与方法
• 3.1 研究内容
• 2 的合成、改性及催化性能研究'>3.1.1 纳米 TiO₂的合成、改性及催化性能研究
• 2 的合成、改性及光催化性能研究'>3.1.2 负载型纳米 TiO₂的合成、改性及光催化性能研究
• 3.2 化学试剂、材料与仪器
• 3.2.1 试剂和材料
• 3.2.2 仪器
• 3.3 分析及表征方法
• 3.3.1 甲基橙溶液吸光度的测定和脱色率的计算
• 3.3.2 染料光解动力学方程的建立
• 3.3.3 工业废水 UV-Vis 吸收光谱
• 3.3.4 工业废水化学耗氧量 COD 的测定
• 3.3.5 X 射线衍射光谱（XRD）
• 3.3.6 催化剂UV-Vis 吸收光谱
• 3.3.7 催化剂的 SEM 分析
• 3.3.8 催化剂的 BET 分析
• 3.3.9 TG-DTA 分析
• 3.4 试验装置
• 2 粉体的合成、改性及催化性能研究'>第四章 纳米 TiO₂粉体的合成、改性及催化性能研究
• 2 光催化剂的溶胶-凝胶法合成'>4.1 纳米 TiO₂光催化剂的溶胶-凝胶法合成
• 2 粉体的 XRD 和 BET 分析'>4.2 纳米 TiO₂ 粉体的 XRD 和 BET 分析
• 2 粉体的光催化性能'>4.3 纳米 TiO₂粉体的光催化性能
• 4.3.1 催化剂光催化性能评价
• 4.3.2 酸水比及热处理温度对催化剂光催化降解甲基橙性能的影响
• 4.3.3 投放量对催化剂光催化降解三种染料性能的影响
• 4.3.4 光降解体系pH 值对催化剂光催化降解三种染料性能的影响
• 4.3.5 三种染料的光催化降解动力学研究
• 4.3.6 小结
• 2 粉体的生物活性'>4.4 纳米 TiO₂粉体的生物活性
• 4.4.1 浸种
• 4.4.2 培养豌豆幼苗
• 2的粒径及投放量对豌豆萌发的影响'>4.4.3 纳米TiO₂的粒径及投放量对豌豆萌发的影响
• 2对豌豆幼苗生长的影响'>4.4.4 纳米TiO₂对豌豆幼苗生长的影响
• 4.4.5 小结
• 2物相结构及光催化性能的影响'>4.5 Zn掺杂对纳米TiO₂物相结构及光催化性能的影响
• 2 催化剂的合成'>4.5.1 锌掺杂纳米TiO₂催化剂的合成
• 4.5.2 锌掺杂催化剂的 XRD 分析
• 4.5.3 锌掺杂催化剂的紫外可见吸收光谱分析
• 4.5.4 锌掺杂催化剂光催化性能评价
• 4.5.5 Zn 掺杂对催化剂光催化性能的影响
• 4.5.6 小结
• 2 物相结构及光催化性能的影响'>4.6 La 掺杂对纳米 TiO₂物相结构及光催化性能的影响
• 2 催化剂的合成'>4.6.1 La 掺杂纳米 TiO₂催化剂的合成
• 2催化剂的XRD分析'>4.6.2 La掺杂纳米TiO₂催化剂的XRD分析
• 2 催化剂光催化性能评价'>4.6.3 La 掺杂纳米 TiO₂催化剂光催化性能评价
• 2 光催化性能的影响'>4.6.4 La 掺杂对 TiO₂光催化性能的影响
• 4.6.5 小结
• 4.7 结论
• 2的合成、改性及光催化性能研究'>第五章 负载型纳米TiO₂的合成、改性及光催化性能研究
• 2 催化剂的研究'>5.1 活性炭负载纳米 TiO₂催化剂的研究
• 2 催化剂的合成'>5.1.1 活性炭负载纳米 TiO₂催化剂的合成
• 2 催化剂的 XRD 分析'>5.1.2 活性炭负载纳米 TiO₂ 催化剂的 XRD 分析
• 5.1.3 催化剂光催化性能评价
• 2 负载量对 TiO₂/AC 光催化性能的影响'>5.1.4 TiO₂ 负载量对 TiO₂/AC 光催化性能的影响
• 2/AC 光催化性能的影响'>5.1.5 热处理温度对 TiO₂/AC 光催化性能的影响
• 2/AC 光催化剂用量对甲基橙溶液脱色率的影响'>5.1.6 TiO₂/AC 光催化剂用量对甲基橙溶液脱色率的影响
• 2/AC复合型催化剂光催化性能的影响'>5.1.7 使用次数对TiO₂/AC复合型催化剂光催化性能的影响
• 5.1.8 小结
• 2 催化剂的研究'>5.2 沸石负载纳米 TiO₂催化剂的研究
• 2 催化剂的合成'>5.2.1 沸石负载纳米 TiO₂催化剂的合成
• 5.2.2 催化剂光催化性能评价
• 2 负载量对 TiO₂/沸石光催化性能的影响'>5.2.3 TiO₂ 负载量对 TiO₂/沸石光催化性能的影响
• 2/沸石催化剂光催化性能的影响'>5.2.4 煅烧温度对 TiO₂/沸石催化剂光催化性能的影响
• 2/人造沸石催化剂用量对甲基橙溶液脱色率的影响'>5.2.5 TiO₂/人造沸石催化剂用量对甲基橙溶液脱色率的影响
• 5.2.6 小结
• 2 柱撑白土光催化剂的研究'>5.3 TiO₂柱撑白土光催化剂的研究
• 2 柱撑白土光催化剂的合成'>5.3.1 TiO₂柱撑白土光催化剂的合成
• 5.3.2 催化剂的 XRD 分析
• 5.3.3 催化剂的 SEM 分析
• 5.3.4 催化剂的 BET 分析
• 5.3.5 催化剂光催化性能评价
• 5.3.6 负载量对催化剂光催化活性的影响
• 2 柱撑白土催化剂光催化性能的影响'>5.3.7 锻烧温度对 TiO₂柱撑白土催化剂光催化性能的影响
• 5.3.8 自然光下催化剂光催化氧化处理工业废水的试验
• 5.3.9 小结
• 2 柱撑白土复合光催化剂的稀土离子掺杂改性研究'>5.4 TiO₂柱撑白土复合光催化剂的稀土离子掺杂改性研究
• 2 柱撑白土复合光催化剂的合成'>5.4.1 稀土掺杂 TiO₂柱撑白土复合光催化剂的合成
• 2 柱撑白土复合光催化剂的 XRD 分析'>5.4.2 稀土掺杂 TiO₂ 柱撑白土复合光催化剂的 XRD 分析
• 5.4.3 催化剂的 UV-Vis 吸收光谱分析
• 5.4.4 BET 分析
• 5.4.5 催化剂光催化性能评价
• 5.4.6 四种稀土元素掺杂对催化剂光催化活性的影响
• 2 柱撑白土催化剂光催化性能的影响'>5.4.7 掺杂量对 TiO₂柱撑白土催化剂光催化性能的影响
• 5.4.8 自然光下催化剂光催化氧化处理工业废水的试验
• 5.4.9 小结
• 5.5 结论
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 对进一步研究的建议
• 致谢
• 发表的学术论文及参与的科研项目