碳纤维负载二氧化钛光催化材料的制备及其可见光活性研究

摘要

锐钛矿型的二氧化钛(TiO2)是一种性能优良的光催化材料，并且具有高活性、低成本、环境友好等优势，所以普遍用于废水的处理。但以下三方面的缺点限定了纳米TiO2粉末在现实生产的应用：（1）半导体TiO2比其他半导体的禁带宽度要宽(Eg=3.2eV)，只有在波长<387nm的紫外光照下，价带上的电子才能被激发跃迁到最高能级，因此对太阳能的利用是十分有限的。（2）由光引发所产生的空穴与电子易于在TiO2表面发生复合，从而减弱了光量子的功效。（3）粉末状的纳米TiO2存在易失活、易凝集和难以分离回收的问题，这是限制TiO2在现实生产中工业化的重要原因之一。为克服解决以上TiO2的缺点，首先将其与适合的载体相结合，这就克服解决了其凝聚和回收难的问题。一些吸附能力较强、比表面积相对大的多孔材料常常被作为TiO2的载体使用，常用的催化剂载体有分子筛、陶瓷、玻璃、活性炭、碳纤维等。另一方面，通过多种方法将杂质引入TiO2晶格内，改变其晶体形貌和结构，降低光生电子－空穴对在TiO2表面相遇重新复合的机率，进而提高了催化剂的光催化性能和使用寿命。
　　本文是以九水硝酸铁为铁源、尿素为氮源、硫脲为硫源，选择预处理过的碳纤维(CF)为催化剂的载体，采取简单的溶胶-凝胶和浸渍提拉方法分别制备了一系列的TiO2/CF、Fe/TiO2/CF、Fe/N/TiO2/CF、Fe/N/S/TiO2/CF复合光催化材料。而且通过检测分析手段，例如电子扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线衍射光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、比表面积分析(BET)，对制备的样品进行测试分析。在不同光催化实验条件下，用降解罗丹明B(RhB)溶液的效率高低来评价所制备催化剂的光催化机能的好坏。从样品表征分析和光催化实验可知，无论Fe单掺杂还是Fe、N、S共同掺杂，CF和改性TiO2之间的耦合作用使样品对光的响应范围从紫外延伸到可见光区，因此，样品对可见光的利用率得到明显提高。当Fe/N/Ti的摩尔比为0.1％:0.8%:1、在500℃下煅烧4h、催化剂用量为0.04g、RhB浓度为2.0×10-5mol·L-1，pH值为8.0时，Fe/N/TiO2/CF的可见光催化活性最好，反复使用四次后对RhB的降解率略有下降，但幅度不大。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 光催化原理

1.2 TiO2光催技术的优点及存在的问题

1.3 影响TiO2光催化活性的因素

1.4 优化TiO2光催化性能的途径

1.5 TiO2的研究现状

1.6 碳纤维的概述及其应用

1.7 课题的研究意义及研究内容

第二章 二氧化钛/碳纤维复合材料的制备及可见光催化活性的研究

2.1 实验材料及实验仪器

2.2 二氧化钛负载碳纤维复合材料的制备

2.3 二氧化钛/碳纤维复合光催化材料的表征

2.4 光催化性能实验

2.5 结果与讨论

2.6 结论

第三章 铁掺杂二氧化钛负载碳纤维材料的制备及可见光催化活性的研究

3.1 实验材料及实验仪器

3.2 铁掺杂TiO2负载碳纤维样品的制备

3.3 Fe/TiO2/CF复合光催化剂的表征

3.4 光催化性能测试

3.5 结果与讨论

3.6 小结

第四章 混掺型TiO2负载碳纤维复合光催化剂的制备及可见光性能研究

4.1 实验材料及仪器

4.2 碳纤维负载混掺型TiO2催化剂的制备

4.3 碳纤维混掺型TiO2复合光催化剂的表征

4.4 光催化性能测试

4.5 结果与讨论

4.6 Fe/N/S/TiO2/CF的表征及催化性能的分析

4.7 小结

第五章 结 论

5.1 研究内容总结

5.2 创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果