纳米TiO光催化剂制备及金属元素掺杂改性研究

摘要

随着国民经济飞速发展,资源的过度开发利用,人们对环境造成的危害也越来越大.工业三废中,废水对环境污染尤其严重.传统的废水处理,成本较高,投资大,部分处理过程还有二次污染.这些要求人们采用更先进的处理手段.光催化氧化技术,可以直接利用丰富的太阳能资源对废水进行净化处理.它成本低、净化效果好、且无二次污染,具有良好的应用前景,引广泛重视.经过二十多年的研究,多相光催化氧化技术研究有了很大的发展.众多半导体光催化材料中,TiO<,2>物理、化学稳定性好,催化活性相对较高,是光催化材料领域研究热点.提高半导体光催化剂催化活性,是光催化技术走向工业应用的关键.纳米材料具有的许多优异催化特性,制备纳米TiO<,2>,并采用稀土金属铈和锆及过渡金属锌掺杂提高TiO<,2>的光催化活性,是该文研究主要内容.使用FTIR,XRD,SEM和BET等手段对制备的复合TiO<,2>催化剂表征,深入分析掺杂金属影响TiO<,2>光催化活性机理,是该文研究目的.凝胶-溶胶法被广泛应用到纳米材料的制备领域.它制备条件简单,产品均匀稳定.该研究在前人的研究基础上改进了TiO<,2>凝胶法制备过程,以Ti(OBu)<,4>为前驱体,探讨制备凝胶稳定的条件.传统的凝胶制备过程是一步完成,该文则分为两步,先低温混合,再提高温度加快凝胶.试验证明,当Ti(OBu)<,4>,水,pH值在一定范围内变化,这种方法重现性好,颗粒均匀.稀土金属在催化领域有广泛应用,具有特殊的催化性能.制备纳米TiO<,2>及稀土金属和过渡掺杂TiO<,2>.三种金属元素掺杂后复合TiO<,2>光催化活性都得到提高.光催化降解亚甲基蓝结果显示:Ce,Zr和Zn合适量的掺杂可以一定程度提高TiO<,2>光催化活性,2.3﹪Ce掺杂TiO<,2>经550℃焙烧后光催化活性最高;5﹪Zr掺杂TiO<,2>经530℃焙烧催化活性最高;2﹪掺杂TiO<,2>经500℃焙烧光催化活性最高.不适当的掺杂量反而影响TiO<,2>催化活性.TGA分析显示,Ce掺杂后,复合TiO<,2>表面对水的吸附能力下降,而Zr与Zn掺杂则提高了TiO<,2>粒子表面对水的吸附能力.XRD结果显示Ce和Zr掺杂后TiO<,2>的粒子半径下降,并抑制焙烧过程TiO<,2>晶型转变,然而Zn掺杂后复合TiO<,2>粒子变大,却促进TiO<,2>晶型转变.SEM和BET表征证实了粒子半径的变化.分析后发现,虽然三种掺杂都能提高TiO<,2>粒子光催化活性,作用机理并不一样.过渡金属Zn掺杂后形成TiO<,2>-ZnO复合半导体,从而促进电子—空穴的分离,提高光催化效率.CeO<,2>的储氧功能在TiO<,2>光催化过程中发挥重要作用,Zr则在凝胶过程中参与水解与聚合,改善了TiO<,2>粒子表面电荷分布,促进载流子向粒子表面扩散.稀土Ce和Zr掺杂后,复合粒子半径大幅下降,并在焙烧过程中抑止粒子聚集,粒子分散程度较好,充分显示出纳米催化材料优点.研究结果对于解决纳米材料制备过程中粒子聚集难题也有一定的借鉴意义.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1光催化研究意义

1.1.1传统废水处理及其技术局限

1.1.2光催化技术处理废水的优势

1.2半导体光催化理论基础

1.2.1半导体能带理论

1.2.2二氧化钛光催化剂及其催化机理

1.2.3光催化反应发生的位置

1.2.4二氧化钛的晶体结构

1.3光催化技术应用研究进展

1.3.1光催化降处理水中污染物

1.3.2光催化反应器

1.3.3二氧化钛光催化剂改性研究进展

1.4光催化剂二氧化钛纳米化及其意义

1.4.1纳米材料及其特性

1.4.2纳米二氧化钛的应用

1.5光催化技术研究方向

1.6本论文研究的内容

第二章制备纳米二氧化钛光催化剂

2.1前言

2.2纳米二氧化钛的制备进展

2.2.1水热合成法

2.2.2化学气相沉淀法

2.2.3溶胶-凝胶法

2.3纳米二氧化钛制备

2.3.1制备程序

2.3.2试剂和仪器

2.3.3稳定凝胶制备条件讨论

2.3.4干燥

2.3.5焙烧

2.4二氧化钛粒子表征

2.4.1二氧化钛XRD分析

2.4.2二氧化钛SEM和BET分析

2.5二氧化钛光催化研究

2.5.1亚甲基蓝标准曲线绘制

2.5.2体系温度对光催化影响

2.5.3二氧化钛光催化剂用量得影响

2.5.4焙烧温度对催化速率影响

2.6本章结论

第三章铈掺杂对二氧化钛的光催化性能影响研究

3.1前言

3.2掺铈纳米二氧化钛制备

3.2.1化学试剂

3.2.2制备过程

3.3粒子表征

3.3.1红外分析

3.3.2热重分析

3.3.3 XRD分析

3.3.4 SEM和BET分析

3.4光催化性能研究

3.4.1掺杂浓度对光催化性能影响

3.4.2焙烧温度对光催化性能影响

3.4.3讨论

3.5本章小结

第四章锆掺杂对二氧化钛光催化活性影响研究

4.1前言

4.2锆掺杂纳米二氧化钛制备

4.2.1化学试剂

4.2.2制备过程

4.3锆掺杂纳米二氧化钛晶体粉末表征

4.3.1干凝胶TGA分析

4.3.2样品的XRD结果

4.3.3样品的SEM和BET结果

4.4锆掺杂纳米二氧化钛光催化性能研究

4.4.1掺杂浓度对光催化性能影响

4.4.2焙烧温度对光催化效率影响

4.4.3讨论

4.5本章小结

第五章锌掺杂对二氧化钛光催化活性的影响研究

5.1前言

5.2锌掺杂纳米二氧化钛制备

5.2.1化学试剂

5.2.2制备过程

5.3晶体粉末表征

5.3.1粉末的红外光谱

5.3.2样品TGA分析

5.3.3样品XRD分析

5.3.4样品的SEM和BET表征

5.4光催化结果

5.4.1不同掺杂浓度光催化效果

5.4.2焙烧温度对光催化性能影响

5.4.3讨论

5.5本章小结

结论

6.1研究总结

6.1.1纳米二氧化钛制备及光催化性能研究

6.1.2纳米铈掺杂二氧化钛制备，表征及光催化性能研究

6.1.3纳米锆掺杂二氧化钛制备，表征及光催化性能研究

6.1.4纳米锌掺杂二氧化钛制备，表征及光催化性能研究

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢