负载卟啉的TiO2纳米粒子和钛酸盐纳米管的可见光催化活性研究

论文摘要

TiO2具有光催化活性高、廉价、无毒、化学稳定性好等优点,在废水处理、抗菌、自清洁、光催化还原水析氢等领域有着广阔的应用前景。然而,由于其禁带较宽（3.2eV）,只能利用紫外光,对太阳能的利用效率低,使其实际应用受到限制。为了拓宽TiO2光催化剂的光响应范围,本文采用负载卟啉的方法对二氧化钛纳米粒子进行改性以增强它们对可见光的响应,提高其可见光光催化降解有机污染物和光催化还原水析氢的效率。另外,钛酸盐纳米管具有比表面积大,吸附能力强等特点,将具有可见光催化活性的卟啉分子作为客体分子负载其上,从而提高其可见光催化活性。主要研究内容如下：以TiO2纳米粒子（Degussa P25）为原料,通过水热法制备了具有一维管状结构的钛酸盐纳米管（TNTs）,通过静电相互作用,将水溶性卟啉—碘化5,10,15,20-四（4-三甲铵基苯基）卟啉（TAPPI）负载于钛酸盐纳米管上,制得了卟啉-钛酸盐纳米管复合物（TAPPI-TNTs）。以甲基橙作为模型污染物,对TAPPI-TNTs的可见光催化活性进行了评价,并对其光催化降解机理进行了讨论。结果表明TAPPI-TNTs具有很高的可见光催化活性和良好的稳定性。研究了中心配位金属对卟啉光催化性能的影响。合成了5-（对-羟基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉（MHTPP）,5-（对-羟基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉锌（ZnMHTPP）,反式-二氯-5-（对-羟基苯基）-10,15,20-三苯基卟啉锡（IV） （SnCl2MHTPP）。通过回流利用卟啉的酚羟基与TiO2表面的钛羟基之间的脱水反应将卟啉键合到TiO2纳米粒子表面,并将它们用作可见光催化剂。研究了它们在可见光下降解甲基橙的光催化活性,并比较了含氧气氛和N2气氛下催化剂的光催化活性。结合I-V特性曲线的测定初步讨论了其光催化降解机理,及三者之间光催化活性不同的原因。以反式-二羟基-5,10,15,20-四苯基卟啉锡（Sn（OH）2TPP）为光捕获剂,在紫外光激发下,利用TiO2的光生电子先将Pt沉积在TiO2纳米粒子表面,然后通过回流利用卟啉的轴向羟基与TiO2表面的钛羟基之间的脱水反应将Sn（OH）2TPP键合到TiO2纳米粒子表面,制备出同时负载Pt和卟啉的TiO2纳米粒子光催化剂,用于光催化还原水析氢研究。除此之外,先将Sn（OH）2TPP键合到TiO2纳米粒子表面,在可见光照射下原位还原H2PtCl6,在TiO2纳米粒子表面沉积助催化剂Pt,并直接用于后续光催化还原水析氢研究。研究了pH值、Pt的负载量、光催化剂用量等对催化剂光催化还原水析氢性能的影响。结果表明,相同条件下,前者的光催化还原水析氢的活性高于后者。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 2纳米粒子改性'>1.1 TiO₂纳米粒子改性
• 1.1.1 引入氧空位
• 1.1.2 元素掺杂
• 1.1.3 半导体复合
• 1.1.4 染料敏化
• 2光催化剂'>1.2 卟啉/TiO₂光催化剂
• 1.2.1 卟啉简介
• 1.2.2 卟啉化合物的研究进展
• 2光催化剂'>1.2.3 卟啉/TiO₂光催化剂
• 1.3 钛酸盐纳米管
• 1.3.1 钛酸盐纳米管的结构特点
• 1.3.2 钛酸盐纳米管的应用
• 1.4 本研究的学术意义及主要研究内容
• 第2章 实验试剂与仪器
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 第3章 负载于钛酸盐纳米管上卟啉的可见光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 TNTs的制备
• 3.2.2 TAPPI-TNTs的制备
• 3.2.3 测试与表征
• 3.2.4 光催化性能测试
• 3.2.5 TNTs等电点的测定
• 3.2.6 等温吸附曲线的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 TNTs的结构与形貌表征
• 3.3.2 TAPPI及TAPPI-TNTs的红外谱图
• 3.3.3 TNTs、TAPPI和TAPPI-TNTs固体紫外可见吸收光谱
• 3.3.4 TAPPI和TAPPI-TNTs的荧光光谱
• 3.3.5 TNTs的zeta电位
• 3.3.6 等温吸附曲线的测定
• 3.4 可见光光催化性能研究
• 3.5 TAPPI-TNTs的稳定性
• 3.6 光催化降解机理探讨
• 3.7 本章小结
• 第4章 负载金属卟啉的P25的光催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 金属卟啉的合成
• 4.2.2 负载卟啉的P25光催化剂的制备
• 4.2.3 样品表征
• 4.2.4 可见光光催化活性测试
• 4.2.5 光电化学测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 卟啉的红外光谱表征
• 4.3.2 负载卟啉的P25的固体紫外可见吸收光谱
• 4.3.3 负载卟啉的P25的荧光光谱
• 4.3.4 催化剂的可见光催化性能研究
• 4.3.5 卟啉修饰的P25电极的I-V特性曲线
• 4.3.6 光催化机理探讨
• 4.4 本章小结
• 2纳米粒子光催化剂的制备及其光催化还原水析氢研究'>第5章 负载Pt和卟啉的TiO₂纳米粒子光催化剂的制备及其光催化还原水析氢研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 2TPP的合成与纯化'>5.2.1 Sn（OH）₂TPP的合成与纯化
• 5.2.2 光催化剂的制备
• 5.2.3 可见光催化还原水析氢实验
• 5.2.4 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 卟啉的红外光谱表征
• 2TPP和Sn（OH）₂TPP-P25的紫外可见吸收光谱'>5.3.2 Sn（OH）₂TPP和Sn（OH）₂TPP-P25的紫外可见吸收光谱
• 2TPP催化剂可见光还原水析氢研究'>5.3.3 Pt-P25-Sn（OH）₂TPP催化剂可见光还原水析氢研究
• 5.3.4 光催化析氢机理探讨
• 5.4 本章小结
• 第6章 全文总结
• 参考文献
• 致谢