纳米混晶TiO2介孔材料的制备结构与性能研究

论文摘要

介孔TiO2因其具有高比表面积,发达有序的孔道结构,孔径尺寸在一定范围内可调,表面易于改性等特点,可以有效地增强纳米TiO2光催化、光电转换等功能,使其在水处理、空气净化、太阳能电池、纳米材料微反应器、生物材料等方面表现出广阔的应用前景而备受瞩目。然而,TiO2是宽禁带材料,通常需要用紫外光源（λ≤388nm）来激发,而太阳光谱中紫外光部分仅占5%,这就导致太阳能利用效率低,在很大程度上限制了它的实际应用。为了提高二氧化钛的光谱响应和对太阳光的利用率,人们做了大量的工作对二氧化钛进行改性,提出了染料敏化、贵金属掺杂以及利用溶胶-凝胶技术进行半导体-半导体复合等方法,但上述方法存在光化学稳定性差、原料成本高、操作工艺繁琐等弊端。为了弥补上述方法的不足,本文做了如下工作：第一部分,利用锐钛矿相和金红石相复合后的混晶效应,通过制备具有两种结构的混晶粉体的方法,对二氧化钛进行结构改性。本文采用独特的两步合成法,制备出高催化活性的二氧化钛粉体,表征结果显示产品具有混晶结构,颗粒呈球形,大小均匀,分散性好,且光吸收性能和光催化活性均明显高于纯相产品,同时对产品特殊结构形成的机理以及光催化过程中pH值、染料浓度和不同光源等影响因素进行了详细讨论。第二部分,利用表面活性剂大分子链的空间位阻效应,高分子网络的阻隔作用,通过制备具有介孔结构粉体的方法,对二氧化钛进行结构改性。本文采用多种单一、两两复合的表面活性剂做为模板和结构导向剂,制备出了具有高吸附性和催化活性的介孔二氧化钛粉体。表征结果显示,该产品具有介孔结构,其N2吸附一脱附等温线为典型的介孔结构吸附-脱附等温线Langmuir IV型,样品粒度均匀,孔径分布较窄。采用复合表面活性剂制得的介孔材料的吸附与光催化降解性能均好于单一表面活性剂制备的介孔氧化钛材料和无介孔结构存在的二氧化钛材料。同时考虑了在反应过程中表面活性剂的类型和配比的选择比例,反应温度,反应时间,焙烧温度等因素对介孔结构形成的影响进行了详细讨论。第三部分,纳米混晶TiO2介孔材料的实际应用。本文用此复合介孔材料对酸性红3R染料等有机染料和工业含氰废水进行了光催化降解实验。实验结果表明：酸性红3R染料在太阳光下照射40min后,脱色率可达到100%；工业废水在日光灯下照射3h后,废水中CN-的含量可完全达到污水综合排放标准（GB8978-1996）中的一级排放标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 二氧化钛的晶体结构及光催化作用
• 1.1.1 二氧化钛的晶体结构
• 1.1.2 光催化的反应机理历程
• 2光催化材料的改性和发展方向'>1.2 纳米TiO₂光催化材料的改性和发展方向
• 1.3 介孔材料的研究现状
• 1.3.1 介孔材料的发展历史
• 1.3.2 介孔材料的合成和形成机理
• 2材料的研究进展'>1.4 介孔TiO₂材料的研究进展
• 2的合成方法'>1.4.1 介孔TiO₂的合成方法
• 2的应用前景'>1.4.2 介孔TiO₂的应用前景
• 1.5 本文研究内容、目的及意义
• 2的制备及其光催化性能的研究'>第2章 混晶纳米TiO₂的制备及其光催化性能的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器和药品
• 2.2.2 混晶纳米二氧化钛的合成
• 2.2.3 光吸收性能实验
• 2.2.4 光催化实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 物相分析
• 2.3.2 颗粒的形貌分析
• 2.3.3 光吸收性能
• 2.3.4 光催化性能及影响因素分析
• 2.4 结论
• 第3章 混晶纳米二氧化钛介孔材料的制备及应用
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器和药品
• 2介孔材料的制备'>3.2.2 混晶TiO₂介孔材料的制备
• 3.2.3 催化剂的表征方法
• 3.2.4 吸附性能实验
• 3.2.5 光催化性能
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 前驱体的DSC分析
• 3.3.2 焙烧温度对样品的性能影响
• 2的影响'>3.3.3 表面活性剂对形成介孔TiO₂的影响
• 3.3.4 反应时间对孔径形貌的影响
• 3.3.5 XRD物相分析
• 2吸附脱附与孔径分布'>3.3.6 N₂吸附脱附与孔径分布
• 3.3.7 吸附及光催化性能
• 3.3.8 催化剂的重复使用性能
• 3.4 结论
• 2介孔材料及对废水的降解性能'>第4章 复合模板剂自组装制备混晶纳米TiO₂介孔材料及对废水的降解性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器和药品
• 2介孔材料的制备'>4.2.2 混晶TiO₂介孔材料的制备
• 4.2.3 光吸收性能实验
• 4.2.4 光催化降解性能实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 复合模板剂对形貌的影响
• 4.3.2 XRD物相分析
• 2吸附脱附与孔径分布'>4.3.3 N₂吸附脱附与孔径分布
• 4.3.4 改性处理
• 4.3.5 光吸收性能对比
• 4.3.6 对工业含氰废水的处理
• 4.4 结论
• 第5章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢