纳米结构TiO2的制备及其光催化降解4-氯硝基苯的效能研究

摘要

随着水体有机污染的日益严重，对水环境和饮用水供应构成了极大的威胁，必须采取适当的处理工艺将其去除。基于纳米 TiO2非均相光催化氧化技术是去除水体有机污染的有效方法。然而，由于光催化过程的复杂性，仍然有许多理论、实践问题尚未解决。如量子产率低、禁带宽度宽、以及回收再利用难等问题是限制该技术在实际工程中应用的主要原因。本文围绕以上存在问题合成了几种不同形貌的纳米 TiO2催化剂，通过光催化降解水中4-氯硝基苯(4-CNB)研究了这几种催化剂的光催化活性，最后对TiO2光催化降解4-氯硝基苯的机理与途径进行了初步探索。
　　以商品 TiO2粉末为钛源，采用水热法合成了钛酸盐纳米棒。纳米棒的直径分布在50-150 nm，长度可达几微米，甚至几十微米，高长径比有利于实现催化剂与反应液的固液分离。从 XRD、SEM、FTIR和BET比表面分析结果看，钛酸盐纳米棒具有较高的热稳定性。光催化结果表明，4-氯硝基苯的光催化降解反应为动力学拟一级反应，并且热处理温度为500°C时制备的纳米棒具有最高的光催化活性，其表观速率常数将近是“天大”牌商用TiO2粉末的两倍。最后考察了不同催化剂投量、初始4-CNB浓度、反应液 pH值等因素对光催化降解4-CNB活性的影响。
　　以四氯化钛为钛源，氯仿和水为溶剂，采用水热-乳液法首次合成了扇型TiO2纳米结构。每个扇型纳米结构都由十几根围绕某一中心点放射开的纳米棒组成，形状貌似一把扇子，故命名为扇形结构。其中纳米棒的直径约为5 nm，长度为300-350 nm。由于该纳米结构是金红石相的，制约了光催化降解4-CNB的活性。但这种制备具有一定趋向生长结构的合成方法可以为合成其它材料提供一种新方法。
　　以草酸钛钾为钛源，同样采用水热法制备了TiO2空心微球，球的平均直径约为1.75?m，空腔直径约为1.4?m，壳体表面由大量的平均直径为6.5 nm左右的TiO2纳米晶聚合而成。该空心球显示了非常高的光催化活性，尤其是经500°C热处理2 h后的样品，具有最高的光催化降解4-CNB活性，其表观反应速率常数为0.1062 min-1，分别是未经热处理样品的2倍和商用德国Degussa P25 TiO2的1.5倍。此外该催化剂还具有很好的循环使用性，在经过6次循环使用后，光催化活性没有出现明显的降低。
　　仅以硫酸钛水溶液为前驱体，水热合成了直径分布在0.8-1.2μm的TiO2实心微球。同时研究了硫酸钛浓度、反应温度、反应时间对其形貌的影响。光催化结果表明，经热处理后的TiO2实心微球其光催化活性与P25 TiO2相当，通过重力沉降只需4 h就能将催化剂从反应液中彻底分离出。
　　以 NaOH刻蚀得到的单分散多孔 SiO2微球为模板，采用水解沉淀法合成了 TiO2介孔微球，该介孔微球具有很高的BET比表面积(376.7 cm2/g)，并且孔径分布均匀，是一种理想的吸附材料，从4-CNB的吸附效果看，60 min的吸附去除率达90％以上，4 h后达吸附平衡。
　　采用多步溶胶-凝胶法合成了 Fe3O4/SiO2/TiO2核壳结构。每个核壳结构由一个直径大约为200 nm左右的球型Fe3O4，平均厚度为59 nm氧化硅夹层，以及厚度可变的(12.6-14.7 nm)氧化钛层组成。该磁性光催化剂具有很高的光催化活性和磁响应效果，通过外部磁场使催化剂固液分离不超过1 min。光催化活性随着氧化钛层厚度的增加而降低。由于该磁性光催化剂具有出色的化学稳定性，经18次循环使用后未见任何光催化活性的降低。因此该催化剂应该是一种未来可工业化应用的高效光催化剂。
　　最后通过考察 TiO2在 N2、O2和O3三种不同气氛下光催化氧化4-氯硝基苯的效能和降解中间产物，以及测定反应体系中的总有机碳含量(TOC)和无机阴离子如Cl-、NO2-和NO3-研究了 TiO2光催化降解4-氯硝基苯的降解途径和机理。采用EPR技术对三种反应体系中形成的几种自由基(如羟基自由基·OH，超氧阴离子自由基·O2-等)进行了定性和定量分析。

目录

纳米结构TiO2的制备及其光催化降解4-氯硝基苯的效能研究

Research On Synthesis Of Titania Nanostructure And Their Photocatalytic Degradations Of 4-Chlornnitrobenzene

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 水资源污染现状

1.2 纳米材料的基本概念

1.2.1 纳米粒子的特性

1.2.2 纳米材料的制备方法

1.3 TiO2光催化技术研究现状

1.3.1 TiO2光催化的基本原理

1.3.2 影响TiO2光催化活性的主要因素

1.3.3 提高TiO2光催化效率的途径

1.3.4 一维纳米TiO2光催化的研究现状

1.3.5 TiO2微球光催化的研究现状

1.3.6 TiO2空心球光催化的研究现状

1.3.7 磁性TiO2微球光催化的研究现状

1.4 课题的意义与研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 化学试剂与原材料

2.2 实验常用仪器设备

2.3 催化剂的表征方法

2.3.1 X射线衍射(XRD)

2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.3 透射电子显微镜(TEM)

2.3.4 比表面积和孔径测定(BET)

2.3.5 紫外-可见光谱(UV-Vis)

2.3.6 傅立叶变换红外光谱(FTIR)

2.3.7 电子自旋共振波谱仪(EPR)

2.4 4-氯硝基苯浓度及其降解产物的测定方法

2.4.1 液相色谱(LC)

2.4.2 气相色谱(GC)

2.4.3 离子色谱(IC)

2.4.4 等离子体发射光谱(ICP-AES)

2.5 光催化降解4-氯硝基苯

2.5.1 光催化实验装置

2.5.2 4-氯硝基苯的标准曲线

2.5.3 光催化实验方法与步骤

2.5.4 光催化臭氧氧化实验方法与步骤

第3章 一维TiO2纳米结构的合成及光催化降解4-氯硝基苯

3.1 引言

3.2 钛酸盐纳米棒的合成及光催化性能

3.2.1 钛酸盐纳米棒的合成

3.2.2 钛酸盐纳米棒的表征

3.2.3 钛酸盐纳米棒光催化降解4-氯硝基苯

3.3 扇型TiO2纳米结构的合成及光催化性能

3.3.1 扇型TiO2纳米结构的合成

3.3.2 扇型TiO2纳米结构的表征

3.3.3 扇型TiO2纳米结构光催化降解4-氯硝基苯

3.4 本章小结

第4章 TiO2微球的制备及其光催化降解4-氯硝基苯

4.1 引言

4.2 TiO2空心微球的制备及光催化性能

4.2.1 TiO2空心微球的制备

4.2.2 TiO2空心微球的物化性能表征

4.2.3 TiO2空心微球光催化降解4-氯硝基苯

4.3 TiO2实心微球的制备及光催化性能

4.3.1 TiO2实心微球的制备

4.3.2 TiO2实心微球的物化性能表征

4.3.3 TiO2实心微球合成工艺对形貌的影响

4.3.4 TiO2实心微球光催化降解4-氯硝基苯

4.4 TiO2介孔微球的制备及其光催化性能

4.4.1 TiO2介孔微球的制备

4.4.2 TiO2介孔微球的物化性能表征

4.4.3 TiO2介孔微球吸附4-氯硝基苯

4.5 本章小结

第5章 磁性Fe3O4/SiO2/TiO2核-壳结构的合成及光催化活性研究

5.1 引言

5.2 Fe3O4/SiO2/TiO2核-壳结构的制备

5.2.1 Fe3O4的制备

5.2.2 Fe3O4/SiO2核-壳结构的制备

5.2.3 Fe3O4/SiO2/TiO2核-壳结构的制备

5.3 Fe3O4/SiO2/TiO2核-壳结构的物化性能表征

5.3.1 形貌分析

5.3.2 表面形貌分析

5.3.3 物相分析

5.3.4 比表面积与孔容-孔径分布分析

5.3.5 表面官能团结构分析

5.4 光催化降解4-氯硝基苯与罗丹明B

5.5 本章小结

第6章 纳米TiO2光催化降解4-氯硝基苯的机理研究

6.1 引言

6.2 N2、O2和O3气氛下TiO2光催化降解4-氯硝基苯

6.2.1 Cl-、NO2-和NO3-的测定

6.2.2 光催化氧化4-氯硝基苯中间产物的鉴定及定量分析

6.2.3 羟基自由基的测定

6.2.4 其它自由基的测定

6.3 臭氧提高纳米TiO2光催化活性的EPR分析

6.3.1 反应时间对TiO2/UV/O3体系中自由基的影响

6.3.2 催化剂投量对TiO2/UV/O3体系中自由基的影响

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历