不同紫外光源下MnO对光催化剂活性的影响研究

摘要

多相光催化氧化是近年来发展起来的水处理高级氧化技术之一，特别是对彻底矿化水中有机污染物具有明显的优势，已成为近年来的研究热点。基于各种工艺水体中可能广泛存在氧化锰颗粒物和本实验室关于颗粒物影响TiO2光催化活性的前期研究积累，本论文以一种偶氮有机染料——甲基橙为模拟有机污染物，以六种典型光催化剂为研究对象，通过实验来研究三种晶型的MnO2对催化剂光催化降解有机污染物活性的影响，重点是比较在不同波长紫外光源下的影响，并探讨溶液pH及颗粒物浓度的影响。本论文研究的是与光催化剂的稳定性有关的问题，对推动光催化技术大规模实际应用提供新的实验依据，具有重要的意义。
　　 本论文的主要工作及结果如下：
　　 （1）制备了SnO2、CdS、BiVO4和Cu2O等四种粉末态光催化剂和α-MnO2、β-MnO2和δ-MnO2等模拟环境颗粒物，并采用XRD、SEM和UV-Vis等手段进行了表征。
　　 （2）在UV365/28W紫外光源下，初始 pH6.0条件下，考察了不同晶型MnO2颗粒物对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，在UV365/28W光源辐照下三种MnO2颗粒物均导致TiO2光催化剂失活，其抑制程度次序为：α-MnO2≈δ-MnO2>β-MnO2。
　　 在初始pH6.0条件下，考察了不同浓度MnO2对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，三种晶型MnO2对TiO2的致毒效应均随MnO2浓度的增大而明显增强。
　　 研究了初始pn分别为4.0、6.0和8.0条件下，不同晶型MnO2颗粒物的存在对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响。结果显示，α-MnO2和β-MnO2对TiO2光催化剂致毒效应的顺序均为：pH8.0>pH4.0>pH6.0，而δ-MnO2对TiO2光催化剂致毒效应的顺序为：pH4.0>pH6.0>pH8.0。这说明，当用光催化技术处理不同pH的废水时，MnO2都会抑制TiO2的光催化活性，并且不能简单的通过调节pH来避免TiO2失活。
　　 （3）在UV302/16W紫外光源下，考察了不同晶型MnO2颗粒物对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，初始pH6.0条件下，三种MnO2颗粒物均导致TiO2光催化剂失活，其抑制程度次序与在UV365/28W光源下的情况一致。在初始pH6.0条件下，三种晶型MnO2对TiO2的致毒效应均随MnO2浓度的增大而明显增强。初始p8分别为4.0、6.0和8.0条件下，三种晶型MnO2对TiO2的光催化活性的影响程度次序与在UV365/28W光源下的情况一致。
　　 （4）在UV254/25W紫外光源下，考察了不同晶型MnO2颗粒物对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，初始pH6.0条件下，三种MnO2颗粒物对TiO2光催化剂的影响却非常小，TiO2光催化剂能基本保持稳定。在初始pH6.0条件下，三种晶型MnO2对TiO2光催化的减弱作用随MnO2浓度的增大却没有发生明显变化。初始pH分别为4.0、6.0和8.0条件下，三种晶型MnO2对TiO2的光催化活性均未产生明显影响。
　　 （5）在不同波长紫外光源下，初始pH6.0条件下，考察了不同晶型MnO2颗粒物对磷钨酸光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，在UV365/28W和UV302/16W光源辐照下三种MnO2颗粒物导致磷钨酸光催化剂失活，而在UV254/25W光源辐照下三种MnO2颗粒物对磷钨酸光催化剂有弱抑制效应，但在该光源下随反应时间的延长甲基橙都能完全降解，MnO2颗粒物不会导致磷钨酸光催化剂失活。
　　 （6）在初始pH6.0条件下，研究了不同晶型MnO2颗粒物对CdS、SnO2、BiVO4和Cu2O光催化降解甲基橙活性的影响。结果表明，在UV365/28W光源辐照下三种MnO2颗粒物对CdS光催化降解甲基橙活性没有明显的抑制作用。SnO2、BiVO4和Cu2O三种光催化剂在UV365/28W光源辐照下光催化活性低，而在UV254/25W光源辐照下具有良好的光催化活性，同时在UV254/25W光源辐照下三种MnO2颗粒物对SnO2、BiVO4和Cu2O光催化降解甲基橙活性没有明显的抑制作用。
　　 （7）利用光纤光谱仪对光催化实验所用的紫外光源进行表征，通过测定光源辐射光谱，确定了紫外光源在不同波长范围内相应的辐射强度。表征结果表明，三种光源的主波长与标注的波长基本一致，并且是波长最短的光。结合光催化活性实验结果分析，部分光催化剂的稳定性与使用的紫外光源的波长有关，这是一个新现象。由之前实验研究基础分析，TiO2与MnO2作用后使自身的禁带宽度增大、光利用率降低，并把MnO2致TiO2失活的主要原因归结为促进光生电子-空穴对的复合。从紫外-可见漫反射光谱可知，对受到MnO2污染的TiO2，UV365/28W、UV302/16W和UV254/25W三种光源都能激发产生电子-空穴对，因此推测，可能是光致电子-空穴对在TiO2颗粒表面的迁移与复合行为不同。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1光催化技术发展的概况

1.2光催化反应原理

1.3光催化技术中存在的主要问题

1.3.1光量子效率和光能利用率低

1.3.2实际水体净化过程中光催化剂活性稳定性差

1.4光催化剂的研究现状

1.5论文选题、研究内容和创新点

第2章 仪器、材料与实验方法

2.1仪器与试剂

2.2光催化剂

2.3 MnO2颗粒物的制备和表征

2.4实验方法及数据处理方法

2.4.1配置甲基橙溶液

2.4.2光催化反应装置

2.4.3光催化活性影响的实验方法

2.5紫外光源辐射光谱的测定

第3章 MnO2对TiO2光催化降解甲基橙活性的影响

3.1引言

3.2 UV365/28W下MnO2对TiO2光催化活性的影响

3.2.1 MnO2晶型的影响

3.2.2 pH值的影响

3.2.3 MnO2颗粒物浓度的影响

3.3 UV302/16W下MnO2对TiO2光催化活性的影响

3.3.1 MnO2晶型的影响

3.3.2 pH值的影响

3.3.3 MnO2颗粒物浓度的影响

3.4 UV254/25W下MnO2对TiO2光催化活性的影响

3.4.1 MnO2晶型的影响

3.4.2 pH值的影响

3.4.3 MnO2颗粒物浓度的影响

3.5紫外光源辐射光谱图的测定

3.6小结

第4章 不同紫外光源下MnO2对PW光催化活性的影响

4.1引言

4.2 MnO2颗粒物对PW光催化降解甲基橙活性的影响

4.2.1 UV365/28W下MnO2对PW光催化活性的影响

4.2.2 UV302/16W下MnO2对PW光催化活性的影响

4.2.3 UV254/25W下MnO2对PW光催化活性的影响

4.3小结

第5章 MnO2对四种光催化剂活性影响的比较

5.1引言

5.2 MnO2颗粒物对四种光催化剂光催化降解甲基橙活性的影响

5.2.1不同晶型MnO2对CdS光催化活性的影响

5.2.2不同晶型MnO2对SnO2光催化活性的影响

5.2.3不同晶型MnO2对BiVO4光催化活性的影响

5.2.4不同晶型MnO2对Cu2O光催化活性的影响

5.3小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果