富勒醇-二氧化钛纳米复合材料制备及光催化性能的研究

摘要

随着现代工业的飞速发展,工业生产过程中使用的大量有机试剂以及反应后的副产物排放导致了日常生活中各种各样的污染。其中,印染工业中排放的染料给环境造成了污染巨大。因为印染行业导致的有机染料具有生物毒性大、抗氧化性强、组分复杂、生物降解难等特点,不仅给工业废水的处理带来了很大的麻烦,而且也给我们日常生活带来了严重污染,严重的危害到了人类的身体健康。因而如何有效的降解有机废水已经成为全球研究学者共同面临的重大问题。
　　一般的污水处理技术都具有技术条件要求高,设备成本高、处理周期长,降解不彻底等缺点。因为太阳中的光子能够为光催化氧化技术中所需的能量供能,有机物彻底可以在光的条件下彻底被氧化成对环境无危害的H2O和CO2,所以近年来越来越受科学家们的关注。目前已研究过的光催化剂包括TiO2、CdS、Fe2O3、WO3、ZnO、ZnS、SnO2等,其中TiO2和CdS催化能力最为突出,但是在光照条件下CdS结构会发生改变,丧失催化活性,所以研究的相对较少。相反,二氧化钛因具备催化活性高、稳定性好、成本低以及可重复使用等优点,是目前为止研究最多也最有可能产业化的光催化材料。然而,二氧化钛只能吸收利用太阳光中的紫外光,这就导致其对太阳光的利用率很低。因此,对二氧化钛进行掺杂改性,提高其在可见光的响应,是光催化领域研究的重大课题。
　　富勒烯(C60)因具有价格低廉、比表面积高,稳定性好以及优异的电子传输性质等优点被广泛的应用于催化剂的载体研究。所以将C60与TiO2复合后,C60可以吸收并转移 TiO2中的电子,从而阻止了TiO2中空穴和电子的再复合,提高 TiO2在可见光的催化活性。
　　本文提出了水热法和紫外光辅助法两种方法制备C60和TiO2的复合物,并对两种方法在制备工艺和催化活性上进行了比较。在将C60和 TiO2复合之前,首先将C60氧化成富勒醇(PHF),并对PHF的一些物理化学参数进行了表征。然后分别对水热法和紫外光辅助法制备出的复合物进行了测试分析,分析手段主要包括透射电子显微镜(TEM)、差热-热重分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、紫外可见光谱(UV)、电化学阻抗等分析(EIS)。本文重点介绍并讨论了紫外光辅助方法,分析发现,紫外光辅助法制备出的复合物尺寸在30-40nm左右,且富勒醇和 TiO2之间靠着很强的化学作用力(Ti-O-C)结合。另外,还探讨了紫外光辅助法制备过程中的溶剂和紫外光照时间对复合物光催化性能的影响。最后,对这两种方法的光催化活性进行了比较,结果发现水热法和紫外光辅助法制备的复合物2h内降解罗丹明B的能力分别达到了85％、88.9％,远远高于二氧化钛自身的光催化活性。但是水热法在操作上比较复杂,需要高温高压条件下才能进行,而且副产物多不容易纯化,所以不适合工业化应用。相比之下,紫外光辅助法具有操作简单,反应条件温和,反应时间短等优势,因此紫外光辅助法在应用前景上明显优于前者。