氮改性二氧化钛光催化剂的制备及其光催化还原Cr（Ⅵ）性能研究

论文摘要

二氧化钛光催化剂是一种重要的绿色环保材料,具有光催化活性高、稳定性好、对人体无毒、价格低廉等优点,使其在污水和空气净化领域得到越来越多的重视。由于二氧化钛的能带较宽（锐钛矿为3.2eV）,要在小于或等于387nm的紫外光下才能被激发,而在太阳光中这部分能量仅占3%～5%,从而限制了对太阳光的有效利用。因此,开发对可见光响应的、高活性二氧化钛光催化剂显得尤为重要。本文以钛酸丁酯为前驱体,尿素为氮源,采用酸性溶胶法制备出了具有可见光活性的氮改性二氧化钛光催化剂（N-TiO2）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外可见漫反射吸收光谱（UV-Vis/DRS）等一系列表征手段对所制催化剂的结构和光电性质进行了研究。以重铬酸钾水溶液为目标污染物进行可见光催化还原实验,对各样品的光催化活性进行了评价,并对影响光催化效率的因素包括溶液pH值、空穴捕获剂种类等进行了考察。结果表明,酸性pH条件有利于光催化还原Cr（Ⅵ）离子反应进行,添加甲酸尤其促进水中Cr（Ⅵ）离子的还原速率,其添加量存在最优值。N-TiO2活性明显高于未改性催化剂,当催化剂N/Ti为10%（摩尔比）、煅烧温度为400℃时光催化还原活性最高,在溶液pH=3,空穴捕获剂为甲酸时,2h对Cr（Ⅵ）的还原率达到63%。于400℃煅烧时尿素分解生成了可起光敏化作用的氰尿酰胺,可能是相应N-TiO2具备较高可见光活性原因。此外,原子吸收结果表明在还原过程中水中总铬含量逐渐减少,这可能是因为光催化还原产生的Cr（Ⅲ）与表面羟基化的TiO2产生了络合作用所致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 光催化氧化技术简介
• 1.2 半导体光催剂催化机理
• 1.3 二氧化钛晶型结构
• 1.4 二氧化钛制备工艺介绍
• 1.4.1 气相法
• 1.4.2 液相法
• 1.4.3 固相法
• 1.5 二氧化钛改性研究进展
• 1.5.1 金属掺杂
• 1.5.2 非金属掺杂
• 1.5.3 贵金属沉积
• 1.5.4 表面光敏化
• 1.5.5 半导体复合
• 1.5.6 多元素共掺杂
• 1.6 光催化技术在废水处理的应用
• 1.6.1 染料废水
• 1.6.2 农药废水
• 1.6.3 造纸废水
• 1.6.4 焦化废水
• 1.6.5 含油废水
• 1.6.6 重金属废水
• 1.7 课题意义、主要内容和创新点
• 1.7.1 课题意义
• 1.7.2 实验主要内容
• 1.7.3 实验创新点
• 2 实验部分
• 2.1 实验试剂和仪器
• 2.1.1 重铬酸钾溶液
• 2.1.2 空穴捕获剂
• 2.1.3 实验仪器
• 2.2 实验装置
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 Cr（Ⅵ）的侧定
• 2.3.2 Cr（Ⅵ）光催化还原实验步骤
• 2.4 光催化剂的表征及分析方法
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
• 2.4.4 X射线电子能谱（XPS）
• 2.4.5 紫外可见漫反射光谱（UV-Vis/DRS）
• 3 氮改性二氧化钛的制备及光催化性能
• 3.1 氮改性二氧化钛的制备
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 XRD结果
• 3.2.2 SEM结果
• 3.2.3 FT-IR结果
• 3.2.4 XPS结果
• 3.2.5 UV-Vis/DRS结果
• 3.2.6 光催化性能测试结果
• 3.2.7 可见光催化机理分析
• 3.3 本章小结
• 4 光催化还原Cr（Ⅵ）条件优化及其机理初探
• 4.1 空穴捕获剂对光催化还原Cr（Ⅵ）的影响
• 4.1.1 不同有机物对光催化还原Cr（Ⅵ）的影响
• 4.1.2 光催化还原Cr（Ⅵ）反应动力学曲线
• 4.1.3 甲酸添加量对光催化还原Cr（Ⅵ）的影响
• 4.2 pH值对光催化还原Cr（Ⅵ）的影响
• 2吸附的影响'>4.2.1 pH值对TiO₂吸附的影响
• 4.2.2 pH值对光催化还原Cr（Ⅵ）的影响
• 4.2.3 pH值对光催化还原过程中体系总铬的影响
• 2表面吸附机理初探'>4.3 Cr（Ⅲ）在TiO₂表面吸附机理初探
• 4.4 本章小结
• 5 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文