燃烧法合成无定形氧化铝基纳米材料及其可见光催化活性研究

摘要

随着我国经济的持续快速发展和工业化与城市化率的不断增加，环境污染问题日益严重。与传统的有机污染物处理方法相比，光催化技术是一种绿色氧化技术，以其处理成本低、环境友好、可持续使用等优点，在治理环境污染方面有着广阔的应用前景。但是，目前所用光催化剂多为紫外光活性、制备方法复杂或者成本较高，开发易合成、低成本的高效可见光催化剂已成为光催化研究中的热点及难点问题。
　　 本文利用溶液燃烧法合成了一种含有无定形组分的MgAl2O4纳米粉体光催化剂。通过XRD、BET、TEM、SEM、DRS、XPS等方法对催化剂进行了表征。结果表明，用燃烧法制备的含有一定无定形组分的样品在可见光区有良好的吸收性能，主要是由于无定形组分的Al-O键键长缩短，降低了禁带宽度;而结晶状况良好的样品则在200-800nm范围内对光没有吸收。另外在高温燃烧过程中，燃料中的N原子取代了晶格中的氧原子，进一步提高了催化剂的可见光吸收能力。当样品的结晶度为45.6％时，光催化活性最高，可见光照100min对次甲基蓝的降解率为99.5％，一级反应动力学的反应速率常数为0.0491min-1。原因在于适当的晶体含量提高了光生电子-空穴的分离效率。
　　 进一步研究发现，无定形Al2O3具有紫外光催化活性。基于无定形组分Al-O键键长缩短的原理，利用反向载体技术合成了Al2O3负载P25 TiO2异质结材料。研究表明，燃烧时N元素掺入TiO2中，使其光吸收带边红移;载体燃烧方法使复合材料具有较高的比表面积;无定形Al2O3中的缺陷位能够有效地转移TiO2中的光生电子、促进光生电子-空穴的有效分离。考察了Al2O3与TiO2之间的比例以及pH等因素对其光催化活性的影响，结果发现Al2O3与TiO2的比例为1∶1.5、pH=9.95时，样品可见光催化降解甲基橙表现出的活性最高。并结合自由基捕获剂实验，提出了N-TiO2/Al2O3异质结材料的光催化机理。
　　 通过简易的超声分散法合成了一种具有较高可见光催化活性的g-C3N4/Al2O3异质结材料，结果发现Al2O3与C3N4的质量比为1∶1.5时可见光降解罗丹明B的活性最高。可见光活性提高的原因归为Al2O3较多的缺陷位在形成的异质结界面处可以转移C3N4的光生电子，使其光生电子-空穴对有较高的分离效率，并提出了在可见光下降解染料的可能机理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 新型光催化剂的设计与研究

1．3 光催化剂的制备

1．3．1 化学共沉淀法

1．3．2 微乳液法

1．3．3 水热法

1．3．4 溶胶凝胶法

1．3．5 低温燃烧合成法

1．4 半导体材料的光催化机理

1．5 氧化铝基纳米材料的应用

1．5．1 作为载体在催化反应中的应用

1．5．2 作为活性组分在光催化中的应用

1．6 本课题的提出及拟研究内容

第2章 实验部分

2．1 实验药品和仪器

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器和设备

2．2 催化剂的表征

2．2．1 透射电镜(TEM)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．2．3 X射线衍射(XRD)

2．2．4 比表面积的测定(SSA)

2．2．5 紫外可见漫反射吸收光谱(DRS)

2．2．6 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．7 荧光光谱(PL)

2．2．8 合成催化剂生成羟基自由基浓度测定

2．3 催化剂光催化活性测试

第3章 燃烧法合成含无定形态MgAl2O4及其活性研究

3．1 引言

3．2 催化剂的制备

3．3 催化剂表征

3．3．1 扫描电镜分析(SEM)

3．3．2 透射电镜分析(TEM)

3．3．3 X射线衍射分析(XRD)

3．3．4 比表面积分析(SSA)

3．3．5 X射线能谱分析(EDX)和热重分析(TG)

3．3．6 红外谱图分析(FT-IR)

3．3．7 X射线光电子能谱分析(XPS)

3．3．8 紫外可见漫发射图谱分析(DRS)

3．3．9 荧光光谱分析(PL)

3．4 光催化活性实验

3．4．1 不同催化剂在可见光下光催化降解MB

3．4．2 光催化降解MB的机理

3．4．3 催化剂的用量对降解率的影响

3．4．4 MB的初始浓度对降解率的影响

3．4．5 光催化剂的稳定性

3．5 本章小结

第4章 溶液燃烧法一步合成N-TiO2／Al2O3复合材料及其活性研究

4．1 引言

4．2 催化剂的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 含有无定形组分Al2O3的表征及光催化活性分析

4．3．2 N-TiO2／Al2O3的XRD，BET及孔径分析

4．3．3 N-TiO2／Al2O3的XPS分析

4．3．4 N-TiO2／Al2O3的DRS和PL分析

4．3．5 N-TiO2／Al2O3的SEM和HRTEM分析

4．3．6 N-TiO2／Al2O3的光催化活性分析

4．3．7 N-TiO2／Al2O3的光催化降解MO的机理

4．4 本章小结

第5章 C3N4／Al2O3异质结材料的自组装合成及其活性研究

5．1 引言

5．2 催化剂制备

5．3 催化剂表征

5．3．1 扫描电镜分析(SEM)

5．3．2 透射电镜分析(TEM)

5．3．3 X射线衍射分析(XRD)

5．3．4 红外谱图分析(FT-IR)

5．4 光催化活性实验

5．4．1 不同催化剂在可见光下光催化降解RhB

5．4．2 C3N4／Al2O3的光催化降解RhB的机理

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢