负载型TiO2/13X沸石复合光催化剂的制备及其性能研究

摘要

光催化反应的三个步骤分别为:光催化材料对污染物的吸附、光催化材料吸收特定波长的光能发生光催化氧化反应、降解产物从光催化材料表面脱附。光催化反应遵循Langmuir-Hinshewood准一级动力学方程，光催化降解速率快慢的一个重要影响因素是底物在催化剂表面的吸附，吸附是光催化反应的前提。将TiO2固定于多孔吸附剂材料上可提高吸附与光催化速率。沸石分子筛具有均一的、分子尺寸的孔，拥有高的比表面积和化学、热、机械热稳定性，对有机物的高效吸附性，是良好的吸附剂和环境友好材料。沸石分子筛可以快速有选择性地吸附目标污染物，但是在达到吸附饱和后就不能继续发挥作用。本文以13X沸石分子筛为载体，利用沸石和TiO2的协同作用，分别以溶胶凝胶法和固相扩散法制备出负载型光催化剂，以250 ml浓度为30 mg/L的亚甲基蓝溶液为目标污染物，分别探讨了不同负载量对光催化剂的光催化活性影响。主要研究内容如下:
　　首先以溶胶凝胶法分别制备出TiO2和不同TiO2含量的负载型TiO2/13X沸石复合光催化剂，对制备出的光催化剂分别进行了XRD和SEM表征。在紫外灯下以250ml浓度为30 mg/L的亚甲基蓝溶液为目标污染物，分别研究了13X沸石、TiO2、TiO2/13X的去除或光催化降解性能。结果表明，制备出的TiO2粒径约30-40nm，负载量较低时，TiO2分布于沸石颗粒的三维孔道内。TiO2含量较高时，相同质量的TiO2/13X中沸石量较小，吸附量较小，此时被吸附的亚甲基蓝分子能够被及时降解。随着TiO2负载量减小，TiO2/13X的吸附量增加，TiO2对亚甲基蓝的降解速率逐渐对整个反应起主要作用。其当负载量为50％时达到最佳配比，其去除率和光催化降解率分别为74.66％和62.64％，此时TiO2/13X复合光催化剂具有最大的光催化降解速率。
　　其次以固相扩散法制备出不同德固赛P25负载量的P25/13X负载型光催化剂，对制备出的光催化剂分别进行了XRD和SEM表征，并分别研究了P25负载量、亚甲基蓝溶液起始浓度、溶液PH等对光催化降解效率的影响。结果表明，P25纳米粒子包裹在沸石颗粒表面，使得XRD图谱未能观察到13X沸石特征峰。当负载量为50％时，光催化降解率为71.77％，光催化反应动力学常数为0.740，较100 mg纯P25的动力学常数0.234提高了约3.158倍，具有最高的光催化活性。不同浓度下，吸附对光催化反应速率影响较小，但浓度越大，紫外光在溶液中的透过率越小，受激发产生的光生电子空穴对越少，光催化反应速率越小。在酸性条件下，P25/13X的吸附性基本未发生明显变化，PH=5时溶液中能够产生更多的·OH，因而反应活性更强，光催化反应动力学常数较PH=7时提高约1.207倍。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 TiO2光催化原理

1．2．1 光物理与光化学过程

1．2．2 超氧自由基降解机理

1．2．3 羟基自由基降解机理

1．2．4 光生空穴直接降解机理

1．3 TiO2光催化剂的制备方法

1．3．1 液相沉淀法

1．3．2 溶胶-凝胶法

1．3．3 水热法

1．4 光催化技术的应用领域

1．4．1 环境净化应用

1．4．2 能源领域应用

1．5 影响TiO2光催化反应的因素

1．5．1 晶型和晶面

1．5．2 晶格缺陷

1．5．3 比表面积和粒径的影响

1．5．4 外加氧化剂的影响

1．5．5 吸附对光催化反应的影响

1．6 TiO2光催化剂活性和能效的提高

1．6．1 离子掺杂

1．6．2 贵金属沉积

1．6．3 复合半导体

1．6．4 电场助光催化

1．6．5 超声波场助光催化

1．6．6 固定化负载

1．7 TiO2／沸石分子筛复合光催化材料

1．7．1 沸石分子筛结构

1．7．2 沸石的性能

1．7．3 TiO2／沸石复合光催化剂的制备方法

1．8 本论文的选题及实验设计

第二章 实验材料与研究方法

2．1 实验试剂及常用设备

2．1．1 实验所用化学试剂

2．1．2 常用仪器设备

2．2 光催化材料的表征方法

2．2．1 X射线晶体衍射(XRD)分析

2．2．2 扫描电子显微镜形貌分析(SEM)

2．3 光催化降解性能测试

2．3．1 光催化降解实验装置

2．3．2 模拟目标污染物

2．3．3 标准工作曲线的绘制

2．3．4 光催化反应动力学研究

2．3．5 光催化降解实验方案

2．3．6 暗反应

第三章 溶胶凝胶法制备负载型TiO2／13X沸石材料及其光催化性能

3．1 引言

3．2 负载型TiO2／13X沸石复合光催化剂的溶胶．凝胶法制备

3．2．1 沸石活化

3．2．2 TiO2光催化剂的制备

3．2．3 负载型13X沸石／TiO2复合光催化剂的制备

3．3 光催化材料的表征

3．3．1 光催化材料的SEM形貌表征

3．3．2 光催化材料的XRD表征

3．4 材料的光催化性能测试

3．4．1 沸石加入量对亚甲基蓝去除率的影响

3．4．2 TiＯ2加入量对亚甲基蓝去除率的影响

3．4．3 TiO2负载量对TiO2／13X的光催化性能影响

3．5 本章小结

第四章 固相扩散法制备负载型P25／13X材料及其光催化性能

4．1 引言

4．2 固相扩散法制备负载型13X沸石／P25复合光催化剂

4．2．1 沸石预处理

4．2．2 13X沸石／P25复合光催化剂的制备

4．3 光催化材料的表征

4．3．1 光催化材料的SEM形貌表征

4．3．2 光催化材料的XRD表征

4．4 材料的光催化性能测试

4．4．1 13X沸石和P25加入量分别对亚甲基蓝去除率的影响

4．4．2 P25负载量对P25／13X的光催化性能影响

4．4．3 溶液起始浓度对P25／13X的光催化性能影响

4．4．4 溶液pH对P25／13X的光催化性能影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表论文

声明

致谢