TiO2/ACF光催化材料的制备及光催化性能研究

论文摘要

二氧化钛（TiO2）受到光照射后可生成具有高活性的羟基自由基,而羟基自由基具有极强的氧化性,可将吸附在TiO2表面的有机物或有毒无机物分解、氧化成二氧化碳和水以及无毒的无机成分。但TiO2在使用中存在易失活,易团聚和难回收等问题,所以TiO2的负载化对光催化技术的实用化非常重要。活性碳纤维（ACF）具有较大的比表面积和较好的吸附能力,可为催化剂提供高浓度的有机污染物的光催化反应环境,并使催化剂得到较好的分散,这种载体和催化剂的相互作用增强了TiO2的光催化活性,具有吸附和光催化降解的协同作用,提高了光催化效率,成为TiO2光催化剂的主要载体。论文通过正交实验分析了影响TiO2溶胶及TiO2水分散液稳定性的各种因素,并制备出相对稳定的TiO2溶胶和TiO2水分散液。实验发现,影响TiO2溶胶稳定性因素权重大小为B（无水乙醇的体积）>A（Ti（OC4H9）4与H2O的体积比）>D（温度）>C（乙酸的体积）,最佳因素水平搭配为A为4、B为25ml、C为0.5ml、D为27℃;影响TiO2水分散的因素权重大小为A（SDBS的浓度）> C（pH值）>B（SDBS和SHMP浓度比）。最佳因素水平搭配为A为0.3%、B为3、C为9。利用最佳因素水平配制的TiO2溶胶可稳定存放12天。粒径分析发现,溶胶的颗粒直径分布在100nm以内,主要集中在几十纳米,影响溶胶稳定性的关键是溶胶颗粒大小及分布状况。而配制的TiO2水分散液的Zeta电位为-49.80mV,颗粒直径分布在100nm左右,颗粒大小及分布较为均匀。论文采用浸渍-干燥将纳米TiO2负载在粘胶基非织造布上,再通过磷酸活化、煅烧工艺一步法制成TiO2/ACF光催化材料,并对TiO2/ACF光催化材料继进行一些表征和测试。采用X射线衍射（XRD）、红外吸收光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面积（BET）对TiO2/ACF光催化材料进行表征。XRD结果表明,TiO2/ACF光催化材料中的TiO2为锐钛矿和金红石的混晶,TiO2/ACF-1、TiO2/ACF-2与ACF经过高温碳化和磷酸活化,样品已具有完整的类石墨微晶结构; FTIR分析表明,TiO2/ACF光催化材料同时有Ti-O键以及TiO2和碳纤维的接触界面处的Ti-O-C键,化学上证明了二者结合; SEM图片显示不管是TiO2溶胶或TiO2分散液负载在纤维上,在纤维之间也有TiO2粉末,而且可以看到纤维表面有凹坑或孔洞,说明纤维已经过活化成为活性碳纤维; TG分析探讨在煅烧过程中,磷酸作为化学活化剂促进纤维素脱水,与纤维分子间形成化学键,促进纤维分子间的交联和芳构化,使之生成类石墨微晶碳结构; BET测试结果表明可以看出TiO2/ACF-1（500℃）和TiO2/ACF-2（500℃）的比表面积比都ACF的低。论文重点研究了TiO2/ACF光催化材料的光催化性能。TiO2/ACF-1（500℃）和TiO2/ACF-2（500℃）均在表现出了优异的光催化降解性能,120min降解亚甲基蓝溶液脱色率达到99.3%和99.81%;离心时间影响TiO2/ACF光催化材料的光催化总体表现在离心时间越短,光催化性能越好,但负载量经过离心1min和2min后减少,TiO2/ACF光催化材料依然较高的光催化效果,脱色率在90%以上。由于连续使用中,亚甲基蓝吸附未能及时被降解以及光催化剂活性的催化寿命的原因,导致随着重复使用的次数越多,TiO2/ACF光催化材料的光催化效果降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 2 光催化剂'>1.1 纳米TiO₂光催化剂
• 2 光催化剂研究与应用'>1.1.1 纳米TiO₂光催化剂研究与应用
• 2 光催化剂光催化氧化原理'>1.1.2 TiO₂光催化剂光催化氧化原理
• 2 光催化性能的因素'>1.1.3 影响TiO₂光催化性能的因素
• 2 溶胶-凝胶的制备原理'>1.1.4 TiO₂溶胶-凝胶的制备原理
• 2 粉体的水分散原理'>1.1.5 TiO₂粉体的水分散原理
• 2 光催化剂复合材料的研究进展'>1.2 TiO₂光催化剂复合材料的研究进展
• 2 光催化材料的研究进展'>1.2.1 负载TiO₂光催化材料的研究进展
• 2 光催化剂的制备方法'>1.2.2 载体吸附负载TiO₂光催化剂的制备方法
• 2 光催化活性的影响'>1.2.3 载体对TiO₂光催化活性的影响
• 1.3 本课题的目的、内容及意义
• 1.3.1 研究目的及意义
• 1.3.2 研究内容
• 2溶胶的制备'>第二章 稳定性TiO₂溶胶的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料和仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2 溶胶的粒径分析'>2.2.3 TiO₂溶胶的粒径分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 正交试验结果与分析
• 2 溶胶的粒径结果与分析'>2.3.2 TiO₂溶胶的粒径结果与分析
• 2.4 本章小结
• 2稳定水分散液的制备'>第三章 纳米TiO₂稳定水分散液的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料与仪器
• 3.2.2 实验方法
• 2 水分散液的粒径分析'>3.2.3 TiO₂水分散液的粒径分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 正交试验结果与分析
• 2 分散液粒径结果与分析'>3.3.2 TiO₂分散液粒径结果与分析
• 3.4 本章小结
• 2/ACF 光催化材料的一步法制备及表征'>第四章 TiO₂/ACF 光催化材料的一步法制备及表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和仪器
• 2/ACF 光催化材料的一步法制备'>4.3 TiO₂/ACF 光催化材料的一步法制备
• 2/ACF 光催化材料磷酸活化条件的选定'>4.3.1 TiO₂/ACF 光催化材料磷酸活化条件的选定
• 2/ACF 光催化材料制备'>4.3.2 TiO₂/ACF 光催化材料制备
• 2/ACF 光催化材料的表征'>4.4 TiO₂/ACF 光催化材料的表征
• 2/ACF 光催化材料的表征结果与分析'>4.5 TiO₂/ACF 光催化材料的表征结果与分析
• 4.5.1 XRD 表征分析
• 4.5.2 SEM 表征分析
• 4.5.3 FTIR 结果分析
• 4.5.4 TG 的结果分析
• 4.5.5 BET 的结果分析
• 4.6 本章小结
• 2/ACF 光催化材料的光催化性能测试'>第五章 TiO₂/ACF 光催化材料的光催化性能测试
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验材料与仪器
• 5.1.2 实验方法
• 2/ACF 光催化材料的光催化性能结果与分析'>5.2 TiO₂/ACF 光催化材料的光催化性能结果与分析
• 5.2.1 煅烧温度对光催化性能的影响
• 5.2.2 离心时间对光催化性能的影响
• 5.2.3 重复使用对光催化性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与不足
• 6.1 结论
• 6.2 不足之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录：在攻读硕士学位期间取得的成果