铁铈共掺杂纳米TiO2水溶胶微波辅助制备及应用性能研究

摘要

纳米 TiO2水溶胶是一种锐钛矿相纳米 TiO2光催化产品，它具有使用方法简单、运输和保存方便、能催化降解室内空气中有机污染物等优点。但由于它存在着制备工艺耗时长、效率低、产物性能不够理想等问题，影响了纳米TiO2水溶胶的推广应用。本文以建立纳米 TiO2水溶胶微波辅助制备工艺为基础、提高纳米 TiO2水溶胶光催化活性和光响应能力为目的，开发了能应用于室内空气污染治理的纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶产品。
　　针对纳米 TiO2水溶胶制备过程中存在问题，将微波技术引入制备工艺，采用连续微波辐照代替传统的水浴加热，成功制备了纳米 TiO2水溶胶。通过实验确定了最佳制备工艺条件为：微波控温80℃，辐照时间40min，n(H+)/n(Ti)=1:1。在此条件下，得到的纳米 TiO2水溶胶为锐钛矿晶型，平均粒径为9.7nm，分布范围为6.2~15.6nm，ζ电位为50.6mV。当强度为11μW/cm2的紫外光照2h时，对活性艳红 X-3B的脱色率可达83.6％。通过 XRD、DLS和Zeta电位分析，对比了微波辅助制备工艺和传统水浴制备工艺得到的纳米TiO2水溶胶的性能，结果表明，微波辅助工艺制备的产物的平均粒径更小，粒径分布更窄，ζ电位更高，说明溶胶体系更加稳定。同时，对两种工艺条件下的纳米 TiO2水溶胶的光催化活性进行了评价，结果表明，微波辅助工艺制得的纳米TiO2水溶胶具有更高的光催化活性，比传统法的产物高10%以上。
　　在微波辅助制备工艺的基础上，制得了同时具有紫外光和可见光催化活性的纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶。实验结果表明，n(Fe):n(Ce):n(TiO2)=0.05%:0.1%:1为最佳掺杂摩尔比。通过 XRD、DLS、TEM、XPS、DRS和SPS等表征，对掺杂过程及改性机制进行了探讨。由 XRD晶格参数及晶格畸变计算可知，其掺杂过程为：离子半径小于Ti4+的Fe3+先进入纳米 TiO2晶格，引起 TiO2晶格畸变，该晶格形变为 Ce3+掺入晶格提供机会，使 Fe、Ce共掺杂得以实现，即Fe3+不仅掺杂进入纳米 TiO2晶格影响 TiO2结构及性能，同时，还是 Ce3+掺杂的助剂。DRS、SPS和光催化实验均表明纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶不仅具有很高的紫外光催化活性，而且对可见光也具有响应能力。探讨了共掺杂改性机制：Fe的3d轨道与Ce的4f、5d轨道重叠、杂化，在纳米 TiO2禁带中形成新的杂质能级，使 Fe-Ce-TiO2具有较强的紫外吸收能力，并对450nm左右的可见光具有响应。
　　微波辅助工艺制得的纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶应用于室内空气中甲醛的降解，取得了理想的甲醛去除效果。纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶经过喷涂、干燥的简单工艺处理后，即可应用于甲醛的光催化降解。在室温20℃、湿度为40%、紫外光照4h的条件下，对浓度为0.771mg/m3甲醛光催化降解效率可达到81.8%。且纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶涂膜的耐久性实验表明，只需对反应体系进行必要的通风处理，以补充反应中所消耗的氧气，即可达到反复光催化降解甲醛的目的。考察了纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶对缓释性甲醛气体的光催化降解能力，结果表明，当甲醛初始浓度分别为0.621mg/m3、0.324mg/m3和0.175mg/m3时，自然光催化降解甲醛至0.08mg/m3的时间分别为4.6h、4h和2.5h。这说明纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶是一种可以应用于室内甲醛气体降解的光催化产品。
　　对甲醛的光催化降解过程进行了反应动力学研究。结果表明：当甲醛初始浓度在0.771～2.540mg/m3范围内时，该甲醛气体光催化降解过程符合Langmuir-Hinsherwood动力学模型，反应级数为一级；光催化降解反应速率与甲醛初始浓度有关，并计算得到lnk=-5.0426-0.9768lnC0的关系方程。
　　对纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶的抗菌性能进行了研究，取得了理想的抗菌效果。自然光照6h条件下，纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶对培养菌株及自然落菌的杀菌率均可达到96%以上。以大肠杆菌为例，观察了杀菌过程，结果表明菌体细胞壁为直接作用位点，因此，细胞壁的组成成分是影响杀菌效率的直接因素。由于革兰氏阴性菌(G－)的细胞壁外层具有脂质层，而革兰氏阳性菌(G+)的细胞壁仅具有由小分子肽聚糖构成的网状结构，因此纳米 Fe-Ce-TiO2水溶胶对G+的作用速度更快。

目录

铁铈共掺杂纳米TiO2水溶胶微波辅助制备及应用性能研究

Study on Microwave-assisted Preparation and Application Performance of Nano TiO2 Hydrosol Codoped with Iron and Cerium

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及目的意义

1.2 纳米TiO2水溶胶的研究现状

1.3 微波技术在纳米TiO2制备中的应用

1.4 纳米TiO2光催化降解室内甲醛的应用

1.5 纳米TiO2在抗菌方面的应用

1.6 本课题的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验试剂和仪器

2.2 实验方法

第3章 高稳定性纳米TiO2水溶胶的微波辅助制备工艺研究

3.1 引言

3.2 纳米TiO2水溶胶微波辅助制备工艺条件的优化

3.3 微波制备工艺与传统制备工艺的比较

3.4 本章小结

第4章 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶的微波辅助制备及表征

4.1 引言

4.2 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶的制备

4.3 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶的表征及分析

4.4 本章小结

第5章 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶光催化降解甲醛研究

5.1 引言

5.2 光催化降解甲醛反应器的气密性检测

5.3 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶紫外光催化降解甲醛的研究

5.4 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶光催化降解缓释性甲醛的研究

5.5 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶紫外光催化降解甲醛的反应动力学研究

5.6 本章小结

第6章 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶抗菌性能的研究

6.1 引言

6.2 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶对培养菌株的抗菌性能研究

6.3 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶涂膜在自然落菌实验中的抗菌性能研究

6.4 纳米Fe-Ce-TiO2水溶胶的抗菌机理研究

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历