一维TiO2基紫外光催化剂的制备及降解甲苯研究

论文摘要

光催化技术具有条件温和、不产生二次污染等优点,在环境净化尤其是室内气相污染物去除方面具有极佳的应用前景。TiO2性能优良,性质稳定,价廉易得,是理想的光催化材料。其实际应用中存在着光生电子-空穴复合率高、负载困难等问题。本文以提高TiO2的实用性为目的,针对TiO2紫外光催化剂开发中的结构化、负载化等热点问题,重点开发改进了高性能一维TiO2光催化剂的制备工艺,并探讨了贵金属沉积、原位金属掺杂工艺对一维TiO2光催化剂光催化性能的影响；并针对本文开发的一维TiO2光催化剂,以甲苯为探针污染物进一步研究了TiO2光催化降解甲苯的反应动力学。本文研究为新型高效TiO2基紫外光催化剂的开发提供了理论支持。首先,以钛片为原料,采用阳极氧化法制备了直接负载于钛片的TiO2阵列纳米管结构,考察了乙二醇有机电解液体系中氧化电压、氧化时间等制备参数对TiO2阵列纳米管长度、直径等的影响。在此基础上,通过控制氢氟酸及水的浓度,获得了直接负载的TiO2一维线管复合结构。该材料底部为纳米管、顶部为纳米线,直接负载于钛片上,具有良好的光催化性能和负载性能。其次,为开发简易、价廉的一维结构TiO2紫外光催化剂制备工艺,通过强碱水热处理工业钛粉的方法制备了一维TiO2纳米管,并采用简单浸渍法对所得一维TiO2纳米管分别进行了银、铂、钯等贵金属的沉积改性。其中,贵金属银和铂具有较好的改性效果,其光催化活性分别为同等测试条件下P25的2.2、2.1倍。为进一步简化TiO2一维结构的制备、改性工艺,本文改进强碱水热工艺,实现了金属原位掺杂一维TiO2纳米管的一步法制备,并系统研究了掺杂源种类、源物质比例等对催化剂活性的影响,研究结果表明,镧、锶原位掺杂的一维TiO2纳米管具有较好的光催化活性。强碱水热工业钛粉制备TiO2一维结构的工艺制备高性能紫外光催化剂的过程中需要高温高压的环境,反应条件要求较高。为此,本文进一步开发了超声辅助的强碱氧化工艺。该工艺以工业钛粉为原料,在低温常压条件下即可制备大比表面积的一维介孔TiO2纳米棒。超声辅助的强碱氧化工艺经济成本低,制备过程简单,所得一维TiO2纳米棒的孔结构以介孔为主,光催化活性达商用P25 TiO2的2.8倍。结合强碱水热法制备一维TiO2的机理,提出了以钛粉为原料,超声氧化法制备一维介孔Ti02纳米棒的OSRS机理（即Oxidation-Shaking off-Rolling up-Shrinkage mechanism）。最后,以超声氧化法制备的一维介孔Ti02纳米棒为典型催化剂,采用自制连续流反应器对低浓度气相甲苯的降解进行了动力学研究。综合考虑氧气浓度、水蒸气浓度的影响,提出了改进的L-H污染物降解模型,得到了一维介孔Ti02纳米棒光催化降解甲苯的动力学参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 2的光催化原理'>1.2 TiO₂的光催化原理
• 2的晶体结构'>1.2.1 TiO₂的晶体结构
• 2的能带结构'>1.2.2 TiO₂的能带结构
• 1.2.3 光催化基本原理
• 2光催化的表面反应历程'>1.2.4 TiO₂光催化的表面反应历程
• 2光催化剂的研究现状'>1.3 TiO₂光催化剂的研究现状
• 2光催化剂的制备方法'>1.3.1 TiO₂光催化剂的制备方法
• 2光催化剂的负载'>1.3.2 TiO₂光催化剂的负载
• 2光催化剂的应用'>1.3.3 TiO₂光催化剂的应用
• 2光催化性能的改进'>1.3.4 TiO₂光催化性能的改进
• 2一维结构的研究现状'>1.3.5 TiO₂一维结构的研究现状
• 1.4 污染物降解的动力学研究
• 1.5 立题依据与研究内容
• 1.5.1 立题依据
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 课题来源
• 2 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 原材料与试剂
• 2.1.2 主要实验仪器
• 2.2 催化材料测试方法
• 2.2.1 X-射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电镜（SEM）
• 2.2.3 透射电镜-电子能谱（TEM-EDS）
• 2.2.4 X-射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.5 紫外可见漫反射光谱（UV-vis DRS）
• 2.2.6 光致发光谱（PL）
• 2.2.7 氮气吸附-脱附分析（Nitrogen adsorption-desorption）
• 2.2.8 热重-差热测定（TG-DSC）
• 2.3 光催化性能测试
• 2.3.1 甲苯检测方法及标准曲线绘制
• 2.3.2 催化剂活性测试方法
• 2.3.3 催化剂活性数据处理
• 2'>3 阳极氧化法制备一维线管复合结构的纳米TiO₂
• 3.1 实验过程
• 3.1.1 钛片准备
• 2阵列纳米管制备'>3.1.2 TiO₂阵列纳米管制备
• 2纳米线制备'>3.1.3 TiO₂纳米线制备
• 3.1.4 主要表征手段
• 2纳米管'>3.2 阳极氧化法制备阵列TiO₂纳米管
• 2纳米管的分析表征'>3.2.1 阵列TiO₂纳米管的分析表征
• 2纳米管光催化性能的影响'>3.2.2 制备条件对阵列TiO₂纳米管光催化性能的影响
• 2'>3.3 阳极氧化法制备一维线管复合结构的纳米TiO₂
• 2的分析表征'>3.3.1 一维线管复合结构TiO₂的分析表征
• 2的光催化活性研究'>3.3.2 一维线管复合结构TiO₂的光催化活性研究
• 2的制备机理'>3.3.3 一维线管复合结构TiO₂的制备机理
• 3.4 本章小结
• 2纳米管及其贵金属修饰'>4 水热法制备一维TiO₂纳米管及其贵金属修饰
• 4.1 实验过程
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 主要表征手段
• 2纳米管的形貌结构表征'>4.2 银负载一维TiO₂纳米管的形貌结构表征
• 4.2.1 制备过程中样品的形貌变化
• 2纳米管的XRD表征'>4.2.2 银负载一维TiO₂纳米管的XRD表征
• 2纳米管的TEM-EDS表征'>4.2.3 银负载一维TiO₂纳米管的TEM-EDS表征
• 2纳米管的孔结构分析'>4.2.4 银负载一维TiO₂纳米管的孔结构分析
• 2纳米管的XPS表征'>4.2.5 银负载一维TiO₂纳米管的XPS表征
• 2纳米管光学性能表征'>4.3 银负载一维TiO₂纳米管光学性能表征
• 2纳米管的UV-vis DRS表征'>4.3.1 银负载一维TiO₂纳米管的UV-vis DRS表征
• 2纳米管的PL表征'>4.3.2 银负载一维TiO₂纳米管的PL表征
• 2纳米管光催化性能研究'>4.4 贵金属负载一维TiO₂纳米管光催化性能研究
• 2纳米管光催化性能的影响'>4.4.1 热处理温度对一维TiO₂纳米管光催化性能的影响
• 2纳米管光催化性能的影响'>4.4.2 贵金属种类对一维TiO₂纳米管光催化性能的影响
• 2纳米管制备机理'>4.5 贵金属负载一维TiO₂纳米管制备机理
• 4.6 本章小结
• 2纳米管'>5 水热法制备金属原位掺杂TiO₂纳米管
• 5.1 实验过程
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验步骤
• 5.1.3 主要表征手段
• 2纳米管的表征'>5.2 金属原位掺杂TiO₂纳米管的表征
• 2纳米管的XRD表征'>5.2.1 金属原位掺杂TiO₂纳米管的XRD表征
• 2纳米管的SEM表征'>5.2.2 金属原位掺杂TiO₂纳米管的SEM表征
• 2纳米管的XPS表征'>5.2.3 金属原位掺杂TiO₂纳米管的XPS表征
• 2纳米管的UV-vis DRS表征'>5.2.4 金属原位掺杂TiO₂纳米管的UV-vis DRS表征
• 2纳米管的孔结构分析'>5.2.5 金属原位掺杂TiO₂纳米管的孔结构分析
• 2纳米管光催化性能'>5.3 金属原位掺杂TiO₂纳米管光催化性能
• 2纳米管的机理探讨'>5.4 水热法制备金属原位掺杂TiO₂纳米管的机理探讨
• 5.5 本章小结
• 2纳米棒'>6 超声氧化法制备一维介孔TiO₂纳米棒
• 6.1 实验过程
• 6.1.1 实验装置
• 6.1.2 实验步骤
• 6.1.3 主要表征手段
• 6.2 氢钛酸纳米管的分析表征
• 6.2.1 氢钛酸的相结构及成分表征
• 6.2.2 氢钛酸及原料钛粉的表观形貌
• 6.2.3 氢钛酸的TEM表征
• 6.2.4 氢钛酸的孔结构分析
• 6.2.5 氢钛酸的热重差热分析
• 2纳米棒的分析表征'>6.3 一维介孔TiO₂纳米棒的分析表征
• 2纳米棒的相结构及成分表征'>6.3.1 一维介孔TiO₂纳米棒的相结构及成分表征
• 2纳米棒的表观形貌'>6.3.2 一维介孔TiO₂纳米棒的表观形貌
• 2纳米棒的TEM表征'>6.3.3 一维介孔TiO₂纳米棒的TEM表征
• 2纳米棒的孔结构分析'>6.3.4 一维介孔TiO₂纳米棒的孔结构分析
• 6.3.5 热处理工艺对光催化样品性能的影响
• 2纳米棒的机理研究'>6.4 超声氧化法制备一维TiO₂纳米棒的机理研究
• 6.4.1 超声对反应过程的影响
• 6.4.2 氧化时间对反应进程的影响
• 6.4.3 推测的制备机理
• 6.5 本章小结
• 2降解低浓度甲苯的研究'>7 TiO₂降解低浓度甲苯的研究
• 7.1 实验过程
• 7.1.1 实验装置
• 7.1.2 实验步骤
• 7.2 光催化反应影响因素研究
• 7.2.1 环境湿度的影响
• 7.2.2 氧气浓度的影响
• 7.2.3 甲苯初始浓度的影响
• 7.3 降解模型的建立与求解
• 7.3.1 降解模型的建立
• 7.3.2 降解模型的求解
• 7.4 小结
• 8 结论与建议
• 8.1 主要结论
• 8.2 对未来工作的建议
• 参考文献
• 论文的创新点
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间申请的发明专利
• 作者简介
• 致谢