论文题目: 微波辐射对TiO2制备及光催化过程的影响
论文类型: 博士论文
论文专业: 物理化学
作者: 丁正新
导师: 付贤智,王绪绪
关键词: 光催化,微波辐射,制备,乙醛氧化
文献来源: 福州大学
发表年度: 2005
论文摘要: 改善TiO2 光催化剂的结构和性能,提高光催化过程的量子效率是当前光催化研究的热点问题,对光催化技术的广泛应用具有重大意义。微波辐射通常被作为一种高效加热方法使用,同时由于它能够改变分子之间的相互作用,近年来也引起了化学工作者的重视,被用于提高化学反应和催化反应速度和产物选择性。我们研究所最早将微波引入光催化研究中,发现微波对光催化剂的制备和光催化过程有着显著的影响。本论文在前期研究的基础上,采用X 射线衍射、低温N2 吸附、紫外漫反射吸收光谱、荧光光谱、X 射线光电子能谱和表面光电压谱等技术系统考察了微波辐射对TiO2光催化剂制备及其物理化学性质的影响,详细比较了微波法所制TiO2与常规加热法所制TiO2的结构、形貌和基本性能。通过自行设计的微波-光催化反应器,在功率100170 mW、频率36 GHz 的微波和紫外光同时存在下研究了TiO2对乙醛的光催化氧化性能,并与单纯紫外光存在下的光催化过程进行了比较。为阐明微波的作用,还采用时间分辨荧光光谱探针技术测定了微波诱导下光催化反应过程中羟基自由基的产生。论文得到如下主要结果和结论:（1） 微波介电加热TiO2溶胶可得到晶粒度小、光催化活性高、比表面积大和孔径分布窄而均一,且微孔发达的TiO2光催化剂;在溶胶干燥处理过程中微波可使催化剂表面缺陷增加,进而导致光催化反应过程有更多的活性羟基自由基产生;（2） 微波制备能显著增强TiO2样品的紫外光吸收率,并使其光吸收和光伏响应阈值发生蓝移,从而提高TiO2的氧化还原能力;（3） 与常规加热法所制TiO2比较,微波法制备的TiO2对乙醛的光催化降解转化率提高30%,CO2生成率提高40%以上;（4）与未加微波辐射时相比,发现在光催化反应过程中施加微波,TiO2的羟基自由基生成速率提高了22.5%,相应CH3CHO 光催化降解转化率提高了20%;对Al2O3/TiO2催化剂,CH3CHO 光催化降解转化率甚至提高了33%,同时CO2 的生成率也都大幅度提高;（5）微波辐射可改变光催化降解乙醛的产物分布,推断施加微波时乙醛光催化降解按照羟基自由基引发的链式反应机理进行,微波“非热效应”起主要作用。本论文的主要创新点包括:（1） 设计、建立了一套既能保持光催化反应器原有特征,又能施加可控微波辐射的微波-光催化反应装置,并解决了微波辐射下准确测量反应温度的难点;首次采用微波诱导荧光探针技术证实微波辐射可以提高催化剂表面羟基自由基的生成速率,进而提高气相光催化氧化反应效率;（2） 证实了常规加热和微波介电加热所制TiO2光催化剂在结构和性能上有明显的差异,首次提出溶胶的微波介电加热干燥机理;发现了乙醛在微波场存在下的光催化产物分布差异,首次提出了微波-光催化氧化机理。（3） 采用高频微波与紫外光耦合,发现微波辐射对光催化反应过程效率主要是受“非热效应”,而非“热效应”的影响,并探讨了作用机制。本论文的研究结果对认识光催化过程的本质具有重要的理论意义,为改善TiO2光催化剂的性能和提高光催化过程的效率提供了一条崭新途径。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
目录
第一章 引言
1.1 半导体光催化氧化技术
1.1.1 半导体光催化技术
1.1.2 半导体光催化反应机理
1.1.3 光催化反应的特点
1.1.4 影响光催化氧化反应的因素
1.1.5 外场对光催化反应的影响
1.2 微波化学
1.2.1 微波加热原理
1.2.2 微波加热特点
1.2.3 微波在常规催化中的应用
1.2.4 催化反应的微波效应
1.2.5 微波诱导光催化
1.3 本论文立题依据与实验构想
第二章 实验部分
2.1 实验方案
2.2 催化剂的制备
2.2.1 TiO_2 溶胶的制备
2.2.2 TiO_2 催化剂的微波介电加热法和常规加热法制备
2.2.3 Al_2O_3/TiO_2 催化剂的微波介电加热和常规加热法制备
2.3 光催化反应性能评价
2.3.1 光催化反应装置
2.3.2 微波-光催化反应装置
2.4 催化剂表征
2.4.1 溶胶粒度分布
2.4.2 催化剂比表面积和孔结构
2.4.3 晶相结构
2.4.4 催化剂的光吸收性能
2.4.5 荧光光谱(PL)和表面光电压谱(SPS)
2.4.6 X-射线光电子能谱(XPS)
2.4.7 羟基自由基的检测
2.4.8 催化剂的微波吸收谱测定
第三章 微波介电加热制备方法对催化剂结构及性能的影响
3.1 前驱物TiO_2 溶胶的性质
3.2 微波介电加热制备法对TiO_2 催化剂结构形态的影响
3.2.1 晶相结构
3.2.2 比表面积和孔结构
3.2.3 催化剂的形貌
3.3 微波介电加热法对TiO_2 催化剂光电性能的影响
3.3.1 紫外-可见漫反射吸收光谱
3.3.2 荧光光谱
3.3.3 表面光电压谱
3.3.4 X 射线光电子能谱(XPS)分析
3.4 微波介电加热法对TiO_2 催化剂光催化性能的影响
3.4.1 光催化降解乙烯的反应性能
3.4.2 光催化降解乙醛的反应性能
3.5 微波介电加热条件对催化剂结构和性能的影响
3.5.1 微波辐射不同时间所制催化剂的晶相结构
3.5.2 微波辐射不同时间所制催化剂的表面积和孔结构
3.5.3 微波功率对催化剂制备的影响
3.5.4 微波介电加热条件对催化剂光催化氧化性能的影响
3.6 微波介电加热与常规加热机理探讨
第四章 微波对光催化反应过程的影响
4.1 微波辐射对光催化过程的影响
4.1.1 微波对光催化反应过程羟基自由基的影响
4.1.2 微波场中乙醛的光催化降解行为
4.2 微波功率和频率对光催化反应的影响
4.3 微波-光催化降解乙醛的反应机理探讨
4.3.1 微波场中乙醛微波-光催化降解的产物分布
4.3.2 乙醛微波-光催化降解反应的可能机理
小结
第五章 二元复合氧化物Al_2O_3/TiO_2的结构与微波-光催化反应性能
5.1 Al_2O_3/TiO_2 催化剂的结构表征
5.1.1 引入Al_2O_3 对催化剂结构的影响
5.1.2 不同制备方法对Al_2O_3/TiO_2 催化剂结构的影响
5.2 Al_2O_3/Ti_O2 催化剂的微波-光催化反应性能
5.2.1 Al_2LO_3/TiO_2 与TiO_2 的微波-光催化反应性能比较
5.2.2 不同制备方法对Al_2O_3/TiO_2 微波-光催化反应性能的影响
小结
结论
参考文献
个人简历
发表文章及成果目录
致 谢
发布时间: 2005-10-10
参考文献
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