表面多孔磁性TiO2复合氧化物制备及其光催化降解苯酚的研究

摘要

TiO2是一种高效、稳定性好、无二次污染的光催化材料。但因TiO2存在禁带宽度大、质轻不利于回收等问题限制了其进一步的发展。由此，针对TiO2所面临的问题，研究者将目光集中在TiO2光催化材料的改性及负载两个方面。本论文在传统可磁性分离的三组分包覆材料Fe3O4/SiO2/TiO2的研究基础上，保留原有SiO2及TiO2间形成半导体复合，多孔SiO2可以起到增加TiO2的有效作用面积及减少中间层对磁核磁性能的屏蔽的作用。由此，制备了Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物，进一步提高光催化性能。本实验采用XRD、SEM、FT-IR、XPS、N2吸附-脱附、Uv-vis及VSM等表征手段对表面多孔磁性TiO2复合氧化物进行分析，探究了不同制备方法及工艺条件对复合氧化物的晶体结构、形貌、孔结构及磁性能的影响。并通过对TiO2光催化剂的制备条件和反应工艺条件的不断优化，提高光催化降解苯酚模拟废水的效率。
　　首先，通过水热法制备出Fe3O4颗粒，通过溶胶-凝胶法和水热法制备多孔SiO2中间层形成Fe3O4/多孔SiO2复合材料。所制备的Fe3O4粒子为规则球形，其粒径约为300nm，为超顺磁材料，其饱和磁化强度为66.92emu/g。多孔SiO2中间层均以无定型形式存在;Fe3O4/多孔SiO2复合材料的粒径350-450nm左右;Fe3O4与多孔SiO2可能以Fe-O-Si键形成侨联;水热法制备的Fe3O4/多孔SiO2复合材料有更优异的孔结构特性其表面积为625m2/g，孔容为0.60cm3/g，平均孔径为3.12nm;经多孔SiO2层包覆后的复合材料的饱和磁化强度约为7.89 emu/g高于Fe3O4/SiO2。
　　其次，分别采用酯类沉淀法和溶胶-凝胶法制备出Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物的TiO2外壳。采用两种方法均可以制备出具有锐钛矿相的TiO2有效组分，并且随着TBOT投加量的增加，TiO2晶型逐渐趋于完整。同时发现将TiO2制成表面多孔磁性TiO2复合氧化物可以显著提高其相转变温度;TiO2复合氧化物的颗粒呈规则球形，粒径在500-600nm左右;两种方法制备的表面多孔磁性TiO2复合氧化物均为介孔材料，酯类沉淀法制备的Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物有更优异的孔结构特性其表面积为453m2/g，孔容为0.31 cm3/g，平均孔径为2.86nm;两种方法制备的TiO2复合氧化物与P25相比在紫外光及可见光下均有较强的吸收，其光吸收范围有效拓展至750nm的可见光区域且禁带宽度可降低至1.77eV;酯类沉淀法制备的Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物有更强的饱和磁化强度，约为2.39emu/g。
　　最后，以自制苯酚溶液为模拟有机废水，对Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物的光催化性能进行评价。研究了表面多孔磁性TiO2复合氧化物制备工艺条件（如，中间层制备方法、TiO2外壳制备方法、TiO2含量、热处理温度等）及反应工艺条件（如，反应体系pH值、反应时间、催化剂使用次数及催化剂投加量等）对光催化降解苯酚效果的影响。通过一系列的比较优化，Fe3O4/多孔SiO2/TiO2复合氧化物对苯酚废水的降解率最高可达87％以上，COD去除率达73％以上。

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光催化材料的基本特性

1．2．2 TiO2光催化氧化机理

1．3 TiO2光催化材料研究进展

1．3．1 TiO2光催化材料的改性研究

1．3．2 TiO2光催化材料负载技术

1．4表面多孔磁性TiO2复合氧化物研究进展

1．4．1 磁性核心材料的选择与制备

1．4．2 多孔材料的分类及制备

1．4．3 TiO2包覆多孔材料的制备

1．5 课题研究的内容、目的和意义

1．5．1 课题的研究内容

1．5．2 课题的研究目的和意义

第2章 实验材料及实验方法

2．1 实验主要试剂及仪器

2．1．1 实验原料与试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 催化剂的制备工艺流程

2．3 磁性TiO2复合材料的表征及分析

2．3．1 扫描电子显微镜

2．3．2 X-射线衍射

2．3．3 X-射线光电子能谱

2．3．4 N2吸附-脱附

2．3．5 傅立叶红外光谱

2．3．6 紫外-可见漫反射光谱

2．3．7 振动样品磁强计

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 Fe3O4／多孔SiO2的制备与表征结果分析

3．1 Fe3O4的制备与表征分析

3．1．1 Fe3O4的制备

3．1．2 Fe3O4晶相结构分析

3．1．3 Fe3O4形貌分析

3．1．4 Fe3O4的组成结构分析

3．1．5 Fe3O4的磁性能分析

3．2 Fe3O4／多孔SiO2复合材料的制备与表征分析

3．2．1 Fe3O4／多孔 SiO2的制备

3．2．2 Fe3O4／多孔SiO2晶相结构分析

3．2．3 Fe3O4／多孔SiO2形貌分析

3．2．4 Fe3O4／多孔SiO2组成结构分析

3．2．5 Fe3O4／多孔SiO2孔结构分析

3．2．6 Fe3O4／多孔SiO2磁性能分析

3．3 本章小结

第4章 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物的制备与表征结果分析

4．1 酯类沉淀法制备Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物

4．1．1 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物的制备

4．1．2 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的晶相结构分析

4．1．3 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的形貌分析

4．1．4 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的组成结构分析

4．1．5 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的组成元素分析

4．1．6 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的孔结构分析

4．1．7 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的光电特性分析

4．1．8 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的磁性能分析

4．2 溶胶-凝胶法制备Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物

4．2．1 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物的制备

4．2．2 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的晶相结构分析

4．2．3 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的形貌分析

4．2．4 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的组成结构分析

4．2．5 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的组成元素分析

4．2．6 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的孔结构分析

4．2．7 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的光电特性分析

4．2．8 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2的磁性能分析

4．3 本章小结

第5章 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2复合氧化物的光催化性能研究

5．1 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2制备条件工艺的优化

5．1．1 制备方法对光催化性能的影响

5．1．2 热处理温度对光催化性能的影响

5．1．3 TBOT投加量对光催化性能的影响

5．2 Fe3O4／多孔SiO2／TiO2反应工艺条件的优化

5．2．1 pH值对光催化性能的影响

5．2．2 反应时间对光催化性能的影响

5．2．3 催化剂用量对光催化性能的影响

5．2．4 催化剂使用次数对催化效率的影响

5．2．5 催化剂对去除有机污染物COD的测定

5．3 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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