超声条件下制备TiO2和N-TiO2催化剂及其光催化性能研究

论文摘要

半导体多相光催化氧化技术是近几十年发展起来的一项污染治理新技术，被广泛用于污水处理、空气净化、灭菌消毒等领域。半导体光催化剂有TiO2、Fe2O3、CdS、WO3、SnO2等，其中TiO2以具有安全、生物和化学稳定性好、价廉、无污染、适用范围广等优点而成为最有开发前途的绿色环保型催化剂。然而，TiO2光催化剂有其自身的缺陷：量子产率低和太阳能利用率低，这些一直制约着TiO2光催化技术的实际工业化应用。本论文针对纳米TiO2这两大难题展开研究，在超声条件下利用溶胶凝胶法分别制备了纯TiO2和非金属氮掺杂的TiO2，同时以偶氮染料甲基橙的光催化氧化为探针反应，并通过各种表征测试技术考察了光催化剂的光吸收、晶体结构等物理化学性质与其光催化活性之间的关系。研究了TiO2的制备条件对光催化活性的影响，结果表明，煅烧温度是影响YiO2活性的最为关键的一个因素，它决定了催化剂的晶型结构及其粒径尺寸的大小；纯TiO2和N掺杂TiO2的的最佳煅烧温度都为500℃。分别在不同的超声频率28KHz、45KHz、100KHz下和未超声条件下用溶胶凝胶法制备了纳米TiO2光催化剂U28、U45、U100和pure500。实验和测试结果表明，在紫外光下，28KHz频率下超声的经500℃煅烧制得的单一锐钛矿型光催化剂U28的光催化活性最高，其光催化降解速率比pure500提高了15％；U28的粒径（18.94nm）比pure500（21.08nm）有所减小，比表面积(72.25m2·g-1)比pure500(66.15m2·g-1)增大，颗粒间团聚程度比pure500减轻。分别在超声和未超声情况下以三乙胺为氮源制备了N掺杂的光催化剂UN-TiO2和N-TiO2。结果表明：非金属N的掺杂使N-TiO2的吸收波长发生红移；超声促进了TiO2的晶化和N的掺杂，使UN-TiO2粒径减小并且对可见光的吸收能力在N-TiO2基础上进一步增强，表现出较高的可见光活性，氙灯下，经过60min，UN-TiO2可使20mg／L的甲基橙溶液完全脱色；UN-TiO2晶型为纯锐钛矿型，结构规整，其粒径（20.85nm）比N-TiO2的粒径（22.85nm）小，比表面积(66.89m2·g-1)比N-TiO2的(62.88 m2·g-1)大；UN-TiO2中N元素含量为N：Ti=0.0244。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米半导体的光催化性能及其应用
• 2的光催化原理'>1.1.1 纳米 TiO₂的光催化原理
• 2光催化技术的应用'>1.1.2 纳米 TiO₂光催化技术的应用
• 2光催化性能的因素'>1.2 影响 TiO₂光催化性能的因素
• 1.2.1 晶型
• 1.2.2 晶格缺陷
• 1.2.3 粒径
• 1.2.4 比表面积
• 1.2.5 表面羟基
• 1.2.6 电子与空穴的分离效率
• 2的制备方法'>1.3 纳米 TiO₂的制备方法
• 1.3.1 气相法
• 1.3.2 液相法
• 2的改性研究进展'>1.4 纳米 TiO₂的改性研究进展
• 1.4.1 贵金属沉积
• 1.4.2 复合半导体
• 1.4.3 表面光敏化
• 1.4.4 过渡金属离子掺杂
• 1.4.5 稀土元素掺杂
• 1.4.6 非金属元素掺杂
• 2光催化剂方面的应用'>1.5 超声在制备纳米 TiO₂光催化剂方面的应用
• 1.5.1 超声化学反应的基本原理——空化效应
• 2基光催化剂制备中的应用'>1.5.2 超声在 TiO₂基光催化剂制备中的应用
• 1.6 课题研究的目的、意义及来源
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 实验装置
• 2的制备方法'>2.2 TiO₂的制备方法
• 2原理'>2.2.1 溶胶-凝胶法制备 TiO₂原理
• 2的制备工艺流程'>2.2.2 TiO₂的制备工艺流程
• 2.3 催化剂的表征
• 2的光催化活性的评价方法'>2.4 TiO₂的光催化活性的评价方法
• 2.4.1 目标降解物的选择
• 2.4.2 甲基橙的标准曲线
• 2光催化活性的评价'>2.4.3 TiO₂光催化活性的评价
• 2.4.4 空白实验
• 2的制备及其光催化性能研究'>第三章 超声条件下纳米 TiO₂的制备及其光催化性能研究
• 3.1 研究目的
• 3.2 实验部分
• 2的条件研究'>3.2.1 制备 TiO₂的条件研究
• 2纳米晶'>3.2.2 超声制备 TiO₂纳米晶
• 3.2.3 样品的光催化活性测试
• 3.3 样品的光催化性能研究
• 2的光催化性能对比'>3.3.1 不同超声频率下制备的 TiO₂的光催化性能对比
• 2催化剂性能对比'>3.3.2 超声与未超声条件下制备的 TiO₂催化剂性能对比
• 3.4 本章小结
• 2及其光催化性能研究'>第四章 超声条件下非金属 N掺杂 TiO₂及其光催化性能研究
• 4.1 研究目的
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 制备工艺的确定
• 2'>4.2.2 超声条件下 N掺杂 TiO₂
• 4.2.3 样品的光催化活性测试
• 4.3 样品的光催化性能研究
• 4.3.1 氙灯下样品的光催化性能研究
• 4.3.2 汞灯下样品的光催化性能研究
• 4.4 样品的表征与分析
• 4.4.1 XRD物相分析
• 4.4.2 比表面积（BET）测定结果
• 4.4.3 TEM形貌分析
• 4.4.4 紫外可见漫反射（UV-Vis DRS）光谱分析
• 4.4.5 光电子能谱（XPS）分析
• 4.5 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间获得的奖励
• 致谢