添加剂对TiO2光催化性能的影响——三角纳米银胶体的制备及应用

摘要

难生物降解有机污染物的处理一直是人们关注的焦点，染料是其中的典型代表。染料是染色工艺及纺织工业中的重要组成部分，但因不同染料性质、染色方法等的差异，会造成染料的损失，以有色污水的形式进入环境，从而污染水体。传统的污水处理方式不能够充分将其降解，急需有效的方法来治理染料废水。TiO2凭借其无毒性、稳定性与低成本高活性的特点，被广泛应用于对水体中污染物的降解。又因光生电子、空穴的高复合率，TiO2对光源的吸收范围只在紫外光区、仅占太阳光谱的4％-5％等原因，其光催化活性受到一定程度的限制。本研究的目的是希望通过加入添加剂这一简单有效的方式，并从中找到对TiO2的光催化能力起作用的物质。首先，实验通过向TiO2催化体系中添加各类添加剂——无机盐类(K3[Fe(CN)6]、KH2PO4)，氧化类物质(H2O2、Na2S2O8)及两性有机物质（2-氨基苯酚、核黄素），以活性红RR141染料为目标污染物，在365nm紫外灯照射下进行降解脱色以探究不同添加剂对光催化效率的影响;其次，为扩展TiO2对可见光的利用率，进一步的研究中尝试利用三角纳米银的光电化学性质以收集可见光进而激发TiO2。通过双还原法制得三角纳米银胶体，探究了AgNO3及PVP的浓度对最终产物的影响，与TiO2混合在可见光下对亚甲基蓝染料进行降解脱色，并得到三角纳米银胶体/TiO2最佳混合比，同时对反应机理进行了推理分析。
　　在实验过程中，得到以下结论:
　　(1)无机盐类(K3[Fe(CN)6]、KH2PO4)及两性有机物质（2-氨基苯酚、核黄素）均抑制了TiO2的光催化能力;氧化物种类通过与光生电子的反应，生成了活性基团·SO4-与·OH，以H2O2效果最为突出。H2O2的最佳添加量为40 mg/L，反应速率比未添加情况提高了107％。继续增大添加量降低了体系的光催化活性。维持H2O2最佳添加量，当染料浓度由10mg/L增加到80mg/L，反应速率下降了90％;温度由15℃增加到45℃，反应速率提高了100％。
　　(2)在探究AgNO3与PVP对纳米银胶体的影响实验中，当AgNO3浓度为0.1mM、0.4mM情况下，制得的银胶体中颗粒分别为三角形、球形;PVP并不影响三角纳米银的形成，其作用是控制颗粒的尺寸分布，使其结构完整均一。在AgNO3为0.1mM，PVP为180mM其情况下制得尺寸为35±5nm的三角纳米银颗粒。
　　(3)三角纳米银的加入，使得TiO2在可见光下对亚甲基蓝的脱色效率达99％，高于仅使用TiO2的83％。而S-Ag/TiO2对亚甲基蓝的脱色效率仅为78％。0.48wt％为T-Ag/TiO2的最佳质量配比，5小时内材料对亚甲基蓝的脱色效率达到96.4％。
　　(4)通过实验结果及文献资料对三角纳米银胶体促进TiO2光催化能力的机理进行了较为系统的推理分析。光催化效率的提升是依靠三角纳米银颗粒的表面等离子体效应，由热电子传递、共振能量传递、染料敏化等方式带来的影响。
　　本研究为今后半导体光催化实验中的添加剂类型选择，及半导体材料在可见光应用领域的扩展研究中提供指导及新的思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 难降解有机污染物的研究背景概述

1．1．1 染料污染概况

1．1．2 染料的分类

1．1．3 染料的处理方法对比

1．2 TiO2光催化技术及研究现状

1．2．1 光催化技术基本原理

1．2．2 主要的光催化剂种类

1．2．3 TiO2基本性质

1．2．4 TiO2在应用中的缺陷

1．3 TiO2纳米材料的改性方法及研究现状

1．3．1 改性方法

1．3．2 废水中杂质对TiO2光催化能力的影响

1．3．3 TiO2光催化技术的环境光催化应用与发展前景

1．4 三角纳米银的研究现状

1．4．1 金属纳米材料的形貌控制

1．4．2 三角纳米银的特性及应用

1．4．3 三角纳米银的制备方法

1．5 研究的选题思路、内容及技术路线

1．5．1 研究的选题思路

1．5．2 研究的内容

1．5．3 技术路线

第2章 材料与方法

2．1 试剂与仪器

2．1．1 主要试剂

2．1．2 主要仪器

2．2 材料的制备

2．2．1 三角纳米银胶体的制备

2．2．2 三角纳米银胶体／TiO2混合液的配置方法

2．3 材料的表征方法

2．3．1 紫外-可见光光谱仪

2．3．2 电子显微分析

2．4 光催化实验与污染物的测定方法

2．4．1 光催化实验方法

2．4．2 水中残余染料的测定原理及方法

2．5 反应动力学分析

第3章 无机盐类、氧化类及两性有机物质对TiO2光催化能力的影响

3．1 不同类型的添加剂对光催化效率的影响

3．2 氧化类物质对光催化效率的影响

3．3 不同H2O2添加量对光催化效率的影响

3．4 不同染料浓度对光催化效率的影响

3．5 不同温度对光催化效率的影响

3．6 本章小结

第4章 三角纳米银胶体的表征及其对TiO2光催化能力的影响

4．1 纳米银胶体的表征

4．1．1 不同AgNO3浓度对银胶体的影响

4．1．2 不同PVP浓度的影响

4．1．3 三角纳米银胶体的稳定性

4．1．4 三角纳米银形成的基本原理

4．2 银胶体对TiO2在可见光下降解亚甲基蓝的影响

4．2．1 三角纳米银胶体与球形纳米银胶体对TiO2光催化能力影响的比较

4．2．2 不同wt％T-Ag／TiO2对染料降解脱色效率的影响

4．3 三角纳米银在可见光下促进TiO2催化能力的机理分析

4．3．1 热电子传递

4．3．2 光生电子的转移

4．3．3 共振能量传递

4．3．4 染料敏化

4．4 结论

第5章 总结

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 不足与展望

5．3．1 不足之处

5．3．2 未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢