ZnO-TiO2复合体的改性及其光催化性能研究

论文摘要

随着地球环境恶化程度的加深,人们的环保意识也在不断增强,对环境保护的方法和手段已日趋科学化、合理化、“绿色”化。尤其是在对有机染料废水的处理中,开始采用光催化氧化技术,将废水中的有机污染物通过半导体催化剂,在常温下降解成无毒、无害的小分子物质。但半导体催化剂在光催化反应中,尚不能对光能进行较好的利用。因此,如何改性半导体催化剂,使其在光催化反应中发挥最大的效率已成为目前研究的热点。本文用溶胶凝胶法制备了ZnO-TiO2复合体,并通过掺杂不同金属对其进行改性,制得掺镧、掺铟、掺银、掺铜以及掺铁的ZnO-TiO2复合体催化剂。以活性艳兰KN-R为模拟废水,研究ZnO-TiO2复合体及其改性后的催化剂对活性艳兰KN-R光催化降解的影响因素。得出了染料废水处理的适宜工艺条件,并研究了反应的动力学特性。研究结果表明:在煅烧温度为530℃的条件下,通过溶胶凝胶法制备的ZnO-TiO2复合体,具有粒径较小,比表面积较大,光催化性能显著等多项优点。其中以TiO2掺入量20%的催化剂效果最佳,并通过XRD、SEM、TG-DSC和UV-Vis等多项表征进行辅助说明。改性后的ZnO-TiO2复合体,以离子半径较大的金属银、镧、铟掺杂效果较好。同时,外界的因素对其光催化效果也具有较大的影响:酸性条件可以提高稀土元素掺杂的ZnO-TiO2催化剂的光催化性能,碱性条件对银、铁掺杂的ZnO-TiO2催化剂的催化更有利;催化剂投加量多以2g·L-1和3g·L-1最佳,投加量过多或过少都会降低催化剂的光催化反应速率。在制备的各催化剂中,镧、铟掺杂的ZnO-TiO2复合体催化剂的最佳投加量为2g·L-1,银、铜和铁掺杂的ZnO-TiO2复合体催化剂的最佳投加量为3g·L-1;可降解的活性艳兰KN-R溶液的最佳初始浓度在85-100mg·L-1之间,初始浓度过高或过低都不利于光催化的降解和催化剂的有效利用。其中,镧、银、铜和铁掺杂的ZnO-TiO2复合体催化剂在降解活性艳兰KN-R时,溶液的最佳初始浓度为85mg·L-1,而掺铟的ZnO-TiO2复合体催化剂在降解活性艳兰KN-R时,溶液的最佳初始浓度为100mg·L-1,且在一定的浓度范围内,活性艳兰KN-R的降解反应符合Langmuir-Hinshelwood一级反应动力学方程。通过对ZnO-TiO2复合体这一新型半导体材料较为系统的研究,不仅丰富了光催化反应的理论基础,还为工业化大规模生产与应用提供了有力的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 纳米ZnO 及其复合物的性质
• 1.1.1 物理和化学特性
• 1.1.2 光学特性
• 1.1.3 光催化特性
• 1.2 ZnO 及其复合物的光催化机理研究
• 1.3 纳米氧化锌及其复合物的制备方法
• 1.3.1 溶胶-凝胶法
• 1.3.2 水热法
• 1.3.3 沉淀法
• 1.3.4 微乳液法
• 1.3.5 气相法
• 1.3.6 固相法
• 1.4 ZnO 及其复合物的光催化影响因素
• 1.4.1 晶型及形貌的影响
• 1.4.2 禁带宽度
• 1.4.3 粒径的影响
• 1.4.4 表面活性的影响
• 1.4.5 溶液pH 值的影响
• 1.4.6 光照强度的影响
• 1.4.7 催化剂投加量的影响
• 1.4.8 底物初始浓度和类型的影响
• 1.4.9 外加电子受体的影响
• 1.5 催化剂的改性研究
• 1.5.1 复合半导体
• 1.5.2 金属沉积
• 1.5.3 金属掺杂
• 1.5.4 光催化剂的负载
• 1.5.5 表面光敏化
• 1.6 纳米ZnO 的应用、现状及前景
• 1.6.1 印染废水中的应用
• 1.6.2 造纸废水中的应用
• 1.6.3 表面活性剂废水中的应用
• 1.6.4 农药废水中的应用
• 1.6.5 纳米ZnO 研究的现状与前景
• 1.6.6 论文的研究意义和主要研究内容
• 2的制备及光催化性能研究'>第二章 ZnO-TiO₂的制备及光催化性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验试剂和仪器
• 2.1.2 活性艳兰KN-R 基本条件的研究
• 2 复合体的制备'>2.1.3 ZnO-TiO₂复合体的制备
• 2.1.4 催化剂活性评价
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 制备方法的对比
• 2 掺入量的影响'>2.2.2 TiO₂掺入量的影响
• 2.2.3 烧结温度的影响
• 2.2.4 ZT 催化剂降解活性艳兰KN-R 过程研究
• 2.3 结论
• 第三章 镧、铟掺杂ZT 催化剂对活性艳兰的降解研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验试剂和仪器
• 3.1.2 催化剂的制备
• 3.1.3 催化剂性能评价
• 3.2 LaZT 催化剂降解活性艳兰的研究
• 3.2.1 镧掺杂量对活性艳兰降解率的影响
• 3.2.2 pH 对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.2.3 光照对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.2.4 催化剂投加量对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.2.5 活性艳兰光催化降解动力学
• 3.3 InZT 催化剂降解活性艳兰的研究
• 3.3.1 铟掺杂量对活性艳兰降解率的影响
• 3.3.2 pH 对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.3.3 光照对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.3.4 催化剂投加量对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 3.3.5 活性艳兰光催化降解动力学
• 3.4 掺杂物质降解活性艳兰KN-R 的对比
• 3.4.1 掺镧与掺铟后对降解染料的差异性
• 3.4.2 掺镧与掺铟后对降解染料的共性
• 3.5 结论
• 第四章 银、铜掺杂ZT 催化剂对活性艳兰降解的研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验试剂和仪器
• 4.1.2 催化剂的制备
• 4.1.3 催化剂性能评价
• 4.2 AgZT 催化降解活性艳兰的研究
• 4.2.1 银掺杂量对活性艳兰降解率的影响
• 4.2.2 pH 对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.2.3 光照对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.2.4 催化剂投加量对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.2.5 活性艳兰光催化降解动力学
• 4.3 CuZT 催化降解活性艳兰的结果与讨论
• 4.3.1 铜掺杂量对活性艳兰降解率的影响
• 4.3.2 pH 对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.3.3 光照对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.3.4 催化剂投加量对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 4.3.5 溶液初始浓度对活性艳兰光催化降解率的影响
• 4.4 掺杂物质降解活性艳兰KN-R 的对比
• 4.4.1 掺铜与掺银后对降解染料的差异性
• 4.4.2 掺铜与掺银后对降解染料的共性
• 4.5 结论
• 第五章 铜、铁掺杂ZT 催化剂对活性艳兰降解的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验试剂和仪器
• 5.1.2 催化剂的制备
• 5.1.3 催化剂性能评价
• 5.2 FeZT 催化降解活性艳兰的结果与讨论
• 5.2.1 铁掺杂量对活性艳兰降解率的影响
• 5.2.2 光照对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 5.2.3 pH 对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 5.2.4 催化剂投加量对活性艳兰KN-R 降解率的影响
• 5.2.5 活性艳兰光催化降解动力学
• 5.3 掺杂物质降解活性艳兰KN-R 的对比
• 5.3.1 掺铜与掺铁后催化剂对降解染料的共性
• 5.3.2 掺铜与掺铁后对降解染料的差异性
• 5.4 结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新之处
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学术论文发表