Cu-Ce/TiO2纳米颗粒对室内甲醛光催化性能及机理研究

论文摘要

纳米TiO2因具有光催化能力,被广泛应用于处理液相污染物和气相污染物领域。由于纳米TiO2优越的功能特性和广阔的应用前景,纳米TiO2及其相关材料的合成与制备已成为当今热门研究课题。但是纳米TiO2自身的性质,使得其只能在紫外光源的激发下才能产生催化效果,而在可见光源的激发下催化效率不高,且净化周期较长,因此在实际应用过程中存在一定的局限性。由于过渡金属离子具有比TiO2纳米颗粒更宽的对光源的吸收范围和稀土金属元素具有特殊电子结构,采用金属元素对TiO2进行掺杂改性可以提高其在可见光下的催化性能。本文以硝酸铜Cu（NO3）2·3H2O、硝酸铈Ce（NO3）3·6H2O和钛酸丁酯Ti（C4H9O）4作为主要原料,采用溶胶-凝胶法制备Cu-Ce/TiO2纳米颗粒。针对Cu-Ce/TiO2纳米颗粒在可见光源下光催化效果受到制备过程中Cu-Ce掺杂负载量（A因素）、Cu-Ce摩尔比（B因素）和烧结温度（C因素）的影响,通过设计正交实验,利用“极差分析”法对制备出的一系列的Cu-Ce/TiO2纳米颗粒在可见光源条件下分别对甲醛气体和甲醛溶液光催化效果的分析与比较,从而可知Cu-Ce掺杂负载量、Cu-Ce摩尔比和烧结温度三因素对Cu-Ce/TiO2纳米颗粒光催化效果影响的程度,即Cu-Ce掺杂负载量>Cu-Ce摩尔比>烧结温度。并且得到在可见光条件下对甲醛气体光催化效果的优方案：A3B3C2（A3=3%、B3=1：1和C2=500℃）和在可见光条件下对甲醛溶液光催化效果的优方案：A3B3C3（A3=3%、B3=1：1和C2=550℃）。根据正交实验的分析结果,制备Cu-Ce掺杂负载量3%、Cu-Ce摩尔比1：1的Cu-Ce/TiO2纳米颗粒分别在500℃和550℃温度下煅烧,得到纯TiO2（Ⅰ）. Cu /TiO2（Ⅰ）、Ce/TiO2（Ⅰ）、Cu-Ce/TiO2（Ⅰ）和纯TiO2（Ⅱ）、Cu/TiO2（Ⅱ）、Ce/TiO2（Ⅱ）、Cu-Ce/TiO2（Ⅱ）纳米颗粒。利用环境测试舱模拟可见光下的室内环境,纯TiO2（Ⅰ）、Cu/TiO2（Ⅰ）、Ce/TiO2（Ⅰ）、Cu-Ce/TiO2（Ⅰ）纳米颗粒光催化甲醛气体；纯TiO2（Ⅱ）.Cu/TiO2（II）、Ce/TiO2（Ⅱ）、Cu-Ce/TiO2（II）纳米颗粒光催化甲醛溶液,从而得到光催化甲醛气体和溶液效果最好的纳米颗粒。采用激光粒度仪（LPSA）、x射线衍射仪（XRD）和紫外-可见分光光谱仪（DRS）表征方法,对上述八种纳米颗粒的微晶尺寸、晶相结构与光学性能进行分析。结果表明：掺杂适量Cu、Ce离子的Cu-Ce/TiO2纳米颗粒在可见光源激发下具有很好的光催化甲醛的能力,光催化甲醛气体与溶液效果分别为58.70%和56.35%,这是由于掺杂Cu、Ce可以在TiO2晶体内形成锐钛型和金红石型的混晶结构,可以提高TiO2对氧的吸附能力,减少了纳米粒子表面光生电子与光生空穴的复合,并且促进TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变,抑制TiO2晶粒增长,使TiO2的光吸收带边发生红移（达到500nm和450nim）且有利于对可见光的吸收,从而使Cu-Ce/TiO2在模拟可见光下光催化甲醛的能力得到明显提高。同时,由于500℃和550℃煅烧温度的不同,得到的Cu-Ce/TiO2（I）纳米颗粒和Cu-Ce/TiO2（II）纳米颗粒中锐钛型和金红石型的比例不同,所以光催化甲醛气体和甲醛溶液的效果存在差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究的现状与水平
• 1.2.1 光催化反应机理
• 1.2.2 影响光催化反应的因素
• 1.2.3 提高光催化的途径与不足
• 1.3 课题研究的主要内容
• 1.4 课题研究的目的及意义
• 2纳米颗粒制备方案'>2 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒制备方案
• 2体系的选定'>2.1 Cu-Ce/TiO₂体系的选定
• 2纳米颗粒的种类'>2.1.1 掺杂TiO₂纳米颗粒的种类
• 2.1.2 实验掺杂离子的选定
• 2纳米颗粒的制备方案'>2.2 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒的制备方案
• 2纳米颗粒的制备现状'>2.2.1 TiO₂纳米颗粒的制备现状
• 2.2.2 实验试剂和仪器
• 2.2.3 实验方法与步骤
• 2纳米颗粒光催化实验'>3 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化实验
• 3.1 乙酰丙酮分光光度法原理
• 3.2 化学试剂与检测仪器
• 3.3 甲醛标准曲线的绘制
• 2纳米颗粒光催化甲醛的检测方法'>3.4 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛的检测方法
• 2纳米颗粒光催化甲醛气体的检测方法'>3.4.1 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛气体的检测方法
• 2纳米颗粒光催化甲醛溶液的检测方法'>3.4.2 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛溶液的检测方法
• 2纳米颗粒光催化效果影响因素分析'>4 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化效果影响因素分析
• 4.1 正交实验设计
• 4.1.1 确定正交实验的因素与水平
• 4.1.2 确定正交表
• 4.2 正交实验结果
• 2纳米颗粒光催化甲醛气体的实验结果'>4.2.1 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛气体的实验结果
• 2纳米颗粒光催化甲醛溶液的实验结果'>4.2.2 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛溶液的实验结果
• 4.3 实验数据的极差分析
• 2纳米颗粒光催化甲醛气体的极差分析'>4.3.1 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛气体的极差分析
• 2纳米颗粒光催化甲醛溶液的极差分析'>4.3.2 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛溶液的极差分析
• 4.4 本章小结
• 2光催化效果对比'>5 单一与复合掺杂TiO₂光催化效果对比
• 5.1 实验试剂和仪器
• 2纳米颗粒光催化甲醛气体'>5.2 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛气体
• 2纳米颗粒光催化甲醛溶液'>5.3 可见光下Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒光催化甲醛溶液
• 5.4 本章小结
• 2纳米颗粒可见光催化机理分析'>6 Cu-Ce/TiO₂纳米颗粒可见光催化机理分析
• 6.1 表征仪器
• 6.2 表征分析及讨论
• 6.2.1 微晶尺寸分析
• 6.2.2 晶相结构分析
• 6.2.3 光学性能分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的主要成绩