介孔碳负载TiO2催化剂制备及其光降解苯酚的工艺优化

摘要

TiO2在光催化领域的巨大应用前景是毋庸置疑的，但是其一方面由于禁带宽度大、光响应范围窄，只可以吸收波长较小的紫外光，对可见光的利用率较低;另一方面纯TiO2光催化剂的电子-空穴对易于复合，量子产率仅为1％，导致光催化降解效果下降。碳材料是一类具有大比表面积且性能稳定的载体，将TiO2与碳材料复合，利用碳材料良好的吸附性，可增强对污染物的吸附，提高光催化效率，并可能发挥二者的协同效应。本文采用水热法制备介孔碳球，通过溶剂热法将介孔碳球用于负载TiO2，并对介孔碳负载TiO2光催化材料进行酸改性，采用XRD、SEM、TEM、Raman、FT-IR、XPS、N2吸附-脱附、UV-vis等表征方法对催化剂的晶体结构、形貌、孔结构等进行分析，并分别对其吸附性能和光催化性能进行研究，通过对制备工艺条件和反应工艺条件的优化，提高光催化降解苯酚废水的效率。
　　首先，通过水热法制备出了形貌规则、分散性较好的球形介孔碳颗粒，该介孔碳球具有低度的石墨化，其粒径约为100nm，比表面积可达到653m2g-1，孔体积为0.38cm3g-1，为负载TiO2提供基础。
　　其次，用自制的介孔碳采用溶剂热法负载TiO2催化剂，其中TiO2以锐钛矿的形式存在，其孔径在2.8nm和17.9nm分别凸显，比表面积为145m2/g，孔体积为0.28cm3/g，MC-Ti在紫外光和可见光区域的响应均有所增强。取30mg在160℃时水热10h制得的MC-Ti(24)对30mL初始浓度为10mg/L的苯酚模拟废水进行降解，反应150min后其光降解效率可达到81％以上，且催化剂在重复使用5次后，仍有较高的催化活性，其光降解效率仍可达到75％以上。
　　最后，为了进一步提高介孔碳负载TiO2催化剂的性能，对其进行硫酸改性，制备了MC-Ti-S催化剂，MC-Ti-S中形成Ti-O-C键，MC负载可以减小TiO2的禁带宽度。在160℃下水热反应12h制得的MC-Ti-S-160具有最佳的光催化降解率，对初始浓度为10mg/L的苯酚在500W氙灯照射下反应120min后，对苯酚的去除率可达到90％以上，且催化剂在重复使用5次之后，光降解效率仍可达到80％以上，稳定性较好，可以回收再利用。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 TiO2光催化材料概述

1．2．1 TiO2简介

1．2．2 TiO2晶体结构

1．2．3 TiO2光催化原理

1．2．4 TiO2光催化材料研究进展

1．3 介孔碳材料

1．3．1 介孔碳简介

1．3．2 介孔碳材料的合成

1．3．3 介孔碳材料的应用

1．4 碳-钛复合材料的研究进展

1．5 含酚废水的常用处理方法

1．5．1 化学氧化法

1．5．2 溶剂萃取法

1．5．3 吸附法

1．5．4 膜技术

1．5．5 生化处理法

1．6 本论文主要研究的内容、目的和意义

1．6．1 研究内容

1．6．2 研究目的和意义

第2章 实验材料及实验方法

2．1 实验试剂及仪器

2．1．1 实验主要试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 催化剂的制备工艺流程

2．3 材料表征方法

2．4 催化剂性能评价

2．4．1 模型污染物的选择

2．4．2 光催化反应体系

2．4．3 光催化材料性能评价指标

第3章 介孔碳材料的制备及其性能研究

3．1 介孔碳的制备与表征分析

3．1．1 介孔碳的制备

3．1．2 介孔碳的表征分析

3．2 介孔碳的吸附性能分析

3．2．1 水热反应时间对吸附效果的影响

3．2．2 水热反应温度对吸附效果的影响

3．2．3 热处理温度对吸附效果的影响

3．2．4 吸附反应时间对吸附效果的影响

3．2．5 催化剂用量对吸附效果的影响

3．2．6 pH值对吸附效果的影响

3．2．7 催化剂使用次数对吸附效果的影响

3．3 本章小结

第4章 介孔碳负载TiO2催化剂的制备、表征及工艺优化

4．1 介孔碳负载TiO2催化剂的制备及表征

4．1．1 介孔碳负载TiO2催化剂的制备

4．1．2 介孔碳负载TiO2催化剂的晶相结构分析

4．1．3 介孔碳负载TiO2催化剂的形貌分析

4．1．4 介孔碳负载TiO2催化剂的组成结构分析

4．1．5 介孔碳负载TiO2催化剂的孔结构分析

4．1．6 介孔碳负载TiO2催化剂的光电特性分析

4．2 介孔碳负载TiO2催化剂制备条件的优化

4．2．1 介孔碳负载量对光降解苯酚的影响

4．2．2 水热反应温度对光降解苯酚的影响

4．2．3 水热反应时间对光降解苯酚的影响

4．3 介孔碳负载TiO2催化剂反应工艺条件的优化

4．3．1 催化剂对不同初始浓度苯酚光降解效果的影响

4．3．2 催化剂用量对光降解苯酚的影响

4．3．3 pH值对光降解苯酚的影响

4．3．4 反应时间对光降解苯酚的影响

4．3．5 催化剂使用次数对光降解苯酚的影响

4．3．6 不同光强对光降解苯酚的影响

4．4 本章小结

第5章 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的制备、表征及工艺优化

5．1 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的制备及表征

5．1．1 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的制备

5．1．2 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的晶相结构分析

5．1．3 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的形貌分析

5．1．4 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的组成结构分析

5．1．5 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的组成元素分析

5．1．6 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的孔结构分析

5．1．7 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂的光电特性分析

5．2 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂制备条件的优化

5．2．1 介孔碳负载量对光降解苯酚的影响

5．2．2 水热反应温度对光降解苯酚的影响

5．2．3 水热反应时间对光降解苯酚的影响

5．3 硫酸改性介孔碳负载TiO2催化剂反应工艺条件的优化

5．3．1 催化剂对不同初始浓度苯酚光降解效果的影响

5．3．2 催化剂用量对光降解苯酚的影响

5．3．3 pH值对光降解苯酚的影响

5．3．4 光照时间对光降解苯酚的影响

5．3．5 催化剂使用次数对光降解苯酚的影响

5．3．6 不同光强对光降解苯酚的影响

5．3．7 不同光照时间对降解苯酚过程中COD去除率的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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