纳米TiO2网膜固定技术及光催化应用研究

论文摘要

TiO2作为一种性能优异的光催化材料,可将许多化学法、生物法难降解的有机污染物降解为CO2、H2O等无机小分子物质。TiO2具有成本低廉,化学稳定性好、光催化活性高等特性,因而在空气净化、废水处理、抗菌以及自清洁等方面有广泛的应用前景。近年来,TiO2光催化氧化技术应用于环保领域已成为国际上的研究热点之一。传统光催化反应是在悬浮体系下进行的,粉体TiO2光催化剂存在易凝聚、易失活、难以分离回收并产生二次污染等问题,于是很多学者研究将纳米TiO2固定到某种载体上。研究一种不团聚、易修复、可循环使用、光催化活性高的TiO2光催化剂制备技术是本文的主要目的。研究内容包括:1.以钛酸丁酯为前驱体,无水乙醇为溶剂,二乙醇胺和乙酰丙酮为抑制剂,重点考察了影响溶胶—凝胶过程的影响因素,并对TiO2胶凝过程机理进行了基本的探讨。结果表明:TiO2溶胶体系中各原料配比的改变会对溶胶的稳定性产生很大的影响。最终确定TiO2溶胶体系的各组分的物质量配比是Ti（OC4H9）4∶H2O:C2H5OH∶NH（C2H4OH）2∶AcAc=1∶5∶25∶1∶0.3,该条件下制备的TiO2溶胶能在较长时间内稳定存放。2.选用不锈钢金属丝网为载体,采用溶胶—凝胶法和浸渍提拉法研究制备金属网负载纳米TiO2光催化薄膜。采用X射线衍射分析（XRD）、红外光谱分析（IR）等现代测试技术,研究了所制备纳米TiO2薄膜的晶型、晶粒尺寸和表面形貌。以偶氮染料为降解对象,详细考察了负载TiO2薄膜的焙烧温度及涂膜次数、偶氮染料初始浓度、溶液pH值、不同光源等因素对光催化降解偶氮染料的影响。结果表明:涂膜五次,600℃～700℃焙烧2 h得到的负载TiO2薄膜具有优异的光催化性能。当偶氮染料初始浓度为27 mg/L时,光降解3 h,偶氮染料的脱色率达到99.07%。3.通过金属离子掺杂的方法对负载纳米TiO2薄膜进行改性,提高其光催化活性。结果表明:Ag+和Zn2+的掺杂能明显提高TiO2薄膜的光催化活性,并且掺杂Ag+比掺杂Zn2+的活性要高,Ag+和Zn2+的最佳掺杂量都为1%（金属离子与Ti的摩尔比）。涂膜五次,700℃焙烧2 h时光催化活性最高。XRD分析的结果表明,Ag+和Zn2+的掺杂都不同程度地抑制锐钛矿相向金红石相的转变。4.研究了TiO2对偶氮染料光催化降解的反应动力学,结果表明该反应符合Langmuir-Hinshelwood动力学方程。降解反应速率常数与偶氮染料初始浓度成正比;Ag+-TiO2薄膜的反应速率常数k最大,半衰期时间最短。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 2光催化的基本原理'>1.1 半导体TiO₂光催化的基本原理
• 2光催化技术在环境保护方面的应用'>1.2 TiO₂光催化技术在环境保护方面的应用
• 1.2.1 净化空气
• 1.2.2 处理废水
• 1.2.3 抗菌
• 1.2.4 有毒有害离子的吸附
• 1.2.5 防雾与表面自清洁
• 2光催化活性的的因素'>1.3 影响TiO₂光催化活性的的因素
• 1.3.1 晶型
• 1.3.2 晶粒尺寸
• 1.3.3 热处理温度及热处理环境
• 1.3.4 表面羟基的影响
• 2光催化活性的方法'>1.4 提高TiO₂光催化活性的方法
• 1.4.1 过渡金属离子掺杂
• 1.4.2 贵金属沉积
• 1.4.3 半导体复合
• 1.4.4 表面鳌合和衍生
• 1.4.5 非金属元素掺杂
• 1.4.6 有机染料光敏化
• 2表面超强酸化'>1.4.7 TiO₂表面超强酸化
• 2光催化剂的固定化研究'>1.5 TiO₂光催化剂的固定化研究
• 2光催化剂的固定化工艺'>1.5.1 TiO₂光催化剂的固定化工艺
• 2的载体'>1.5.2 用于负载纳米TiO₂的载体
• 1.6 存在的问题及发展方向
• 1.7 本文选题的意义及研究内容
• 2溶胶的制备工艺研究'>第2章 TiO₂溶胶的制备工艺研究
• 2溶胶体系的构建'>2.1 TiO₂溶胶体系的构建
• 2.1.1 钛醇盐的选择
• 2.1.2 溶剂的选择
• 2.1.3 抑制剂的选择
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料和试剂
• 2.2.2 实验仪器和设备
• 2溶胶的制备'>2.2.3 TiO₂溶胶的制备
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 水用量的影响
• 2.3.2 乙醇用量的影响
• 2.3.3 水解抑制剂的影响
• 2.4 小结
• 2薄膜的制备及光催化性能'>第3章 金属网固定TiO₂薄膜的制备及光催化性能
• 2晶体薄膜的制备'>3.1 金属网固定纳米TiO₂晶体薄膜的制备
• 3.1.1 金属网的预处理
• 2薄膜的制备'>3.1.2 金属网固定TiO₂薄膜的制备
• 2薄膜的仪器分析与表征'>3.2 纳米TiO₂薄膜的仪器分析与表征
• 3.3 光催化活性评价
• 3.3.1 光化学反应装置
• 3.3.2 光催化活性的检测方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 表征测试分析
• 2的负载量'>3.4.2 金属网表面TiO₂的负载量
• 2薄膜的光催化性能'>3.4.3 不同实验条件下固定TiO₂薄膜的光催化性能
• 3.5 小结
• 2薄膜制备及光催化性能'>第4章 掺杂改性固定TiO₂薄膜制备及光催化性能
• 2薄膜制备'>4.1 掺杂改性固定TiO₂薄膜制备
• 4.2 结果与讨论
• 2粉体表征分析'>4.2.1 掺杂改性TiO₂粉体表征分析
• 2+掺杂改性TiO₂薄膜的光催化性能'>4.2.2 Zn²⁺掺杂改性TiO₂薄膜的光催化性能
• +掺杂改性TiO₂薄膜的光催化性能'>4.2.3 Ag⁺掺杂改性TiO₂薄膜的光催化性能
• 4.3 小结
• 第5章 偶氮染料的光降解动力学及机理探讨
• 5.1 Langmuir-Hinshelwood动力学模型
• 5.2 偶氮染料初始浓度对降解速率的影响及动力学模型
• 2薄膜对偶氮染料光降解的动力学'>5.3 不同固定TiO₂薄膜对偶氮染料光降解的动力学
• 5.4 偶氮染料的光催化降解机理
• 5.5 小结
• 第6章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文