新型光催化剂TaON的制备及可见光下降解苯酚的研究

论文摘要

在半导体光催化剂中,TiO2因其光催化活性较高、水中稳定性好、无毒,价廉而得到广泛研究。但TiO2带隙能量较大（Eg =3.2 eV） ,故其只能在紫外光区显现出光化学活性。为了更有效地利用太阳光,研究并开发出在可见光下具有高效光催化活性的催化剂具有重要的理论意义和现实意义。本论文针对传统的TiO2等光催化剂禁带能隙较宽,只能在紫外光范围内产生光催化活性的问题,在深入分析半导体光催化剂光催化机理的基础上,提出制备一种带隙能较低的新型光催化剂TaON。本论文采用高温气固相反应,以Ta2O5为原料,通过氮化反应制备TaON。并采用X-射线衍射（XRD）分析、X-射线光电子能谱（XPS）分析、紫外-可见（UV-VIS）漫反射光谱分析等测试手段对所制备的光催化剂进行了表征,重点考察反应温度、反应时间、氨气流量等因素对催化剂结构及组成的影响。对不同反应条件下所制样品进行XRD测试分析,结果表明:在反应温度为850℃,反应时间为10h,氨气流量为100 ml/min条件下制备样品的X-射线衍射峰与TaON的衍射峰一致;对各样品进行的XPS测试分析表明:通过氮化反应Ta2O5的Ta4f7/2结合能峰向结合能小的方向移动,形成了共价性较高的Ta-N键,并且,在上述反应条件下得到了非化学计量比组成为TaO1.2N0.8的样品,由此确定了催化剂的最佳制备条件。为了考察所制备催化剂的光谱响应范围,选取了在最佳反应条件下制备的催化剂样品进行了紫外-可见（UV-VIS）漫反射光谱测试,测试结果表明:TaON的光谱相应范围可拓宽至500nm,证明TaON具有可见光响应能力。此外,在模拟太阳光下,研究了光催化剂TaON光催化降解苯酚的催化活性,采用4-氨基安替吡啉分光光度法测定溶液中苯酚的浓度并计算苯酚的降解率,考察了光催化反应中催化剂用量、反应时间、溶液pH值、催化剂制备条件、贵金属沉积种类及担载量等因素对苯酚降解率的影响。结果表明,TaON在可见光照射下可降解苯酚,在初始浓度为20mg/L的400ml苯酚溶液中,当催化剂投加量为0.4g,反应时间为120min时,降解率最大为81%;贵金属对苯酚降解有促进作用,当Pt的担载量为1.5wt%时,苯酚降解率最大为92%。本论文还初步探讨了催化剂TaON光催化降解苯酚的反应机理,同时评价了光催化剂的活性寿命。最后反应动力学分析表明TaON光催化降解苯酚的反应动力学特征符合准一级反应动力学模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 半导体光催化剂作用原理的研究
• 1.2.2 常见半导体光催化剂
• 1.2.3 可见光响应型光催化剂的研究
• 1.2.4 光催化氧化反应体系的研究
• 1.2.5 光催化氧化技术的应用研究
• 1.3 本论文的研究目标
• 1.4 本论文研究内容
• 1.4.1 可见光响应型光催化剂TaON 的制备
• 1.4.2 可见光响应型光催化剂TaON 的表征及结构研究
• 1.4.3 可见光下催化剂TaON 降解苯酚性能的研究
• 1.5 课题来源
• 第2章 可见光响应型催化剂TAON 的制备
• 2.1 引言
• 2.2 催化剂TAON 制备方法的理论研究
• 2.3 催化剂TAON 制备条件
• 2.3.1 催化剂TaON 制备的反应时间
• 2.3.2 催化剂TaON 制备的氨气流量
• 2.4 表面沉积贵金属光催化剂的制备
• 2.4.1 表面沉积贵金属光催化剂制备的理论依据
• 2.4.2 表面沉积贵金属光催化剂的制备
• 2.5 实验仪器及药品
• 2.5.1 主要实验仪器
• 2.5.2 主要实验药品
• 2.6 催化剂制备反应流程
• 第3章 可见光响应型催化剂的表征及结构研究
• 3.1 催化剂的表征
• 3.1.1 X-射线衍射（XRD）分析
• 3.1.2 X-射线光电子能谱（XPS）分析
• 3.1.3 紫外可见（UV-VIS）漫反射光谱分析
• 3.1.4 贵金属沉积光催化剂的XPS 分析
• 3.2 本章小结
• 第4章 TAON 可见光下光催化降解苯酚的研究
• 4.1 实验仪器及药品
• 4.2 光催化反应装置
• 4.3 分析检测方法
• 4.4 苯酚浓度标准曲线的绘制
• 4.5 光催化剂降解苯酚性能的研究
• 4.5.1 催化剂用量对苯酚降解率的影响
• 4.5.2 光催化反应时间对苯酚降解率的影响
• 4.5.3 溶液pH 值对苯酚降解率的影响
• 4.5.4 催化剂的制备条件对降解苯酚的影响
• 4.5.5 催化剂表面贵金属沉积对降解苯酚的影响
• 4.6 催化剂TAON 和PT/TAON 光催化活性寿命评价
• 4.7 TAON 光催化反应机理的探讨
• 4.7.1 TaON 可见光光激发
• 4.7.2 TaON 可见光光催化反应过程
• 4.8 本章小结
• 第5章 TAON 光催化降解苯酚反应的动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 TAON 光催化降解苯酚反应的动力学初探
• 5.3 TAON 和PT/TAON 光催化降解苯酚反应体系中COD 去除率
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢