PREPARATION,CHARACTERIZATION OF VISIBLE-LIGHT ACTIVATED TiO2 CATALYSTS AND THEIR PHOTOCATALYTIC PERFORMANCE STUDY

摘要

印染废水的治理一直是我国乃至世界上研究的重点课题之一。印染废水的治理技术主要有物理法、化学法、物化法、生化法等。随着科技的发展，染料品种的日益增多，染料的成分日益复杂，并且有着抗氧化、抗光解、色度高、浓度高的特点，这对印染废水的治理技术提出了越来越高的要求。与传统的印染废水处理方法相比，半导体光催化技术具有反应条件温和，可以利用太阳能作为能源，氧化能力强，光催化剂在反应过程中不消耗、无二次污染、无毒、稳定等优点而受到广泛关注。TiO2因其生物和化学稳定性高、光催化能力强等原因，已经成为了最为关注的光催化剂之一。然而，由于TiO2只能利用波长小于380nm的紫外光（太阳光中只占5％），限制了其在阳光作用下对污染物降解中的应用。通过金属和非金属掺杂能够实现TiO2在可见光照射下的光响应，提高其光催化活性。围绕这一方向，本文重点开展了金属/非金属掺杂、过渡态金属沉积改性TiO2的合成、表征及染料的光催化降解等工作。本研究主要内容包括：
　　⑴以吐温80为模板离子和碳源(C)，采用基于自组装技术的溶胶凝胶法，合成C掺杂TiO2薄膜，研究了煅烧温度对C掺杂TiO2薄膜光催化活性的影响。通过孔隙率分析、X-射线衍射、X-光电子能谱、红外光谱、紫外可见吸收光谱、荧光光谱等技术对其结构进行了表征。并以C-TiO2为催化剂，进行了其在可见光照射下多相光催化降解水体中的甲基橙实验。研究发现，煅烧温度为400℃时，尽管煅烧时间不同，但以吐温80为碳源合成的C-TiO2均呈锐钛矿相，且具有较好的介孔结构。与纯TiO2相比，C掺杂TiO2在可见光吸收方面发生了红移。XPS结果表明，C掺杂TiO2样品中，C-O-Ti基团是C存在的主要形式。同时，C-TiO2样品的荧光吸收峰要显著低于纯TiO2样品。甲基橙的降解结果表明，C-TiO2样品在可见光照射下具有更高的光催化活性。C掺杂TiO2薄膜的最佳合成条件为:煅烧温度400℃、煅烧时间30 min、薄膜层数为9层。TiO2与C-TiO2的光催化降解率分别为29.75％、91.89％。
　　⑵通过溶胶凝胶法合成了Fe2O3/TiO2复合催化剂并采用XRD、FTIR、DRS、PL和孔隙率分析对其结构加以表征。研究结果表明，纳米Fe2O3颗粒存在于TiO2表面。与空白TiO2相比，Fe2O3/TiO2复合催化剂在可见光区具有吸收峰。通过测定甲基橙的降解情况来评定催化剂的光催化活性，并研究了Fe2O3含量、煅烧温度和煅烧时间对Fe2O3/TiO2复合催化剂光催化活性的影响。研究结果表明，Fe2O3/TiO2复合催化剂的最佳合成条件为:煅烧温度500℃、煅烧时间3h、Fe2O3含量为10％。在催化效果上，H2O2存在时，Fe2O3/TiO2复合催化剂对甲基橙的降解效率提高了2倍，其原因可以归结为Fe2O3/TiO2复合催化剂作用下存在多相光-Fenton反应。
　　⑶为进一步提高TiO2的光催化活性，本文将非金属元素掺杂与表面复合相结合，合成了碳氮掺杂的氧化钛复合催化剂(CN-TiO2/OMS-2)，以提高其在太阳光照射下的光催化活性。采用XRD、FTIR、DRS、PL和孔隙率分析对其结构加以表征。研究结果表明，OMS-2的复合，显著提高了CN-TiO2催化剂的比表面积。且通过煅烧温度的控制，可以调整CN-TiO2/OMS-2复合催化剂的结晶形态、孔径分布等参数。与CN-TiO2相比，CN-TiO2/OMS-2复合催化剂具有更好的可见光响应。对甲基橙的降解结果表明，太阳光照射5h后，CN-TiO2/OMS-2复合催化剂作用下，甲基橙的降解率达到了37.8％，远高于CN-TiO2样品。OMS-2复合、更大比表面积和更好可见光响应为CN-TiO2/OMS-2复合催化剂具有更高光催化活性的原因。
　　⑷为了抑制非金属元素掺杂导致TiO2光生电子和空穴更易复合的弊端，本文以硝酸银为银源(Ag)，采用化学沉积法合成了C-TiO2/Ag复合催化剂，并研究了Ag含量对C-TiO2/Ag光催化活性的影响。结果表明，Ag复合能够显著提高C-TiO2的可见光相应范围，降低C-TiO2颗粒表面光生电子和空穴的复合率。在C-TiO2/Ag复合催化剂作用下，甲基橙的降解率显著高于C-TiO2。其中，Ag含量为5％时，C-TiO2/Ag复合催化剂具有最大的光催化活性。

目录

声明

Contents

Abstract

摘要

Chapter one General Introduction

Chapter two Literature Review

2．1．Photocatalysis

2．1．1．Homogeneous photoeatalysis

2．1．2．Heterogeneous photocatalysis

2．2．Photocatalytic Materials

2．3．Titanium dioxide

2．3．1．Occurrence and structural properties

2．3．2．Electronic structure

2．3．3．Photocatalytic properties of Titanium dioxide

2．3．4．Enhanced PhotocataIytic Activity

2．3．5．Preparation methods

2．4．Characterization techniques

2．4．1．UV-vis spectroscopy

2．4．2．Fourier transforms infrared spectroscopy(FTIR)

2．4．3．X-ray Diffraction

2．4．4．Brunauer，Emmett Teller(BET)

2．4．5．X-ray photoelectron spectroscope(XPS)

2．4．6．Photoluminescence Spectroscopy

2．5．Application of nanomaterials

2．5．1．Chemical applications

2．5．2．Optical and electronic applications

2．5．3．Magnetic applications

2．5．4．Metal and ceramics applications

2．5．5．Biological applications

2．5．6．Environmental application

Chapter Three Research on Carbon-doped Titanium Dioxide Thin Films

3．1．Introduction

3．2．Materials and methods

3．2．1．Materials

3．2．2．Synthesis of visible-light-activated C-TiO2 films

3．2．3．Characterization of the C-TiO2 films

3．2．4．Photocatalytic degradation experiment

3．2．5．Detection of hydroxyl radicals

3．3．Results and discussion

3．3．1．X-ray diffraction studies

3．3．2．UV-vis diffuse reflectance spectra

3．3．3．X-ray photoelectron spectroscope

3．3．4．Fourier transforms infrared(FT-IR)spectroscopy

3．3．5．Photoluminescence spectra

3．3．6．Photocatalytic activity of C-TiO2 thin film

3．4．Conclusions

Chapter four Research on TiO2／Fe2O3 nanoparticles

4．1．Introduction

4．2．Materials and Methods

4．2．1．Chemicals

4．2．2．Samples preparation

4．2．3．Characterization

4．2．4．Activity test

4．3．Results and discussion

4．3．1．Photocatalytic activity tests

4．3．2．Characterization tests

4．3．3．Photocatalytic mechanism

4．4．Conclusions

Chapter five Research on CN-TiO2 Modified with OMS-2

5．1．Introduction

5．2．Materials and methods

5．2．1．Chemieals

5．2．2．Synthesis of Daylight-Activated CN-TiO2／OMS-2 Samples

5．2．3．Characterization of Synthesized CN-TiO2／OMS-2 Samples

5．2．4．Photocatalytie Evaluation with Methyl orange under Daylight

5．3．Resuits and Discussion

5．3．1．Characterization tests

5．3．2．Photocatalytic Activity of CN-TiO2／OMS-2 Samples

5．3．3．Photocatalytic Mechanism

5．4．Conclusions

Chapter six Research on Ag／C-TiO2

6．1．Introduction

6．2．Materials and methods

6．2．1．Materials

6．2．2．Synthesis of C-TiO2

6．2．3．Photoreduction of silver nanoparticles over the C-TiO2 substrate

6．2．4．Characterization of the Ag／C-TiO2

6．2．5．Photocatalytic degradation experiment

6．3．Results and Discussion

6．3．1．Characterization results

6．3．2．Photocatalytic activity

6．4．Conclusion

Chapter seven Summary and Conclusions

References

ACKNOWLEDGEMENTS

List of publications