镧、钐、铕掺杂TiO2介孔材料的制备及其光催化消除VOCs的研究

摘要

本文概述了挥发性有机污染物(VOCs)的危害及治理，光催化技术的发展现状、理论及现实意义,制备了稀土掺杂TiO2介孔材料并对其进行了相关表征和光催化活性测试，详细阐述了各种影响光催化活性的因素。具体研究工作如下：
　　(1)以高分子嵌段共聚物 P123为结构导向剂结合溶胶凝胶法制备出稀土铕、钐、镧掺杂的TiO2介孔材料和不添加P123的非介孔材料。通过TG-DTA、XRD、TEM、BET、FT-IR、XPS、紫外-可见漫反射等手段对样品进行了表征。考察了稀土掺杂量、催化剂活化温度、有机污染物的初始浓度对光催化消除甲醇和丙酮的影响。筛选出最佳催化剂，研究其对苯、甲苯、二甲苯的光催化降解。
　　(2)XRD、TEM和 BET的结果表明稀土离子掺杂可以阻碍 TiO2光催化剂从锐钛矿相向金红石型的晶相转移，提高锐钛矿相TiO2的热稳定性。随着稀土离子掺杂量的增加，催化剂的粒径逐渐减小；随着焙烧温度的升高，粒径逐渐增大，比表面积逐渐降低。稀土离子的掺杂量可以调变TiO2纳米粒子的大小。对甲醇和丙酮的催化活性测试表明，光催化降解的最终产物为CO2和H2O，当甲醇浓度约为7 g·m-3时，丙酮浓度约为5 g·m-3，催化剂用量为0.1 g时，制备的稀土掺杂介孔TiO2催化剂均能将其100％消除，与未掺杂的、非介孔的TiO2和商品P25相比，其光催化活性得到了显著提高，且有效抑制了催化剂的高温失活，体现了稀土离子和介孔结构的协同作用。较高的比表面积，开放的孔结构和较小的晶粒尺寸是提高光催化活性的重要因素。钐掺杂的介孔TiO2红外和荧光分析表明，催化剂本征性能与光催化活性之间存在一定联系，即表面羟基含量越多，光催化活性越好，荧光发射光谱强度越大，催化剂对甲醇的消除率越高。
　　(3)用 P25和筛选出来的最佳催化剂，即 EMT-0.5-550，SMT-0.43-550， LMT-0.3-550，对苯、甲苯、二甲苯进行了紫外光催化降解。结果表明，SMT-0.43-550的催化效果最好，当苯和甲苯的浓度均约为5 g·m-3，二甲苯的初始浓度为12 g·m-3，气体流速均为10 mL·min-1时，SMT-0.43-550对苯、甲苯、二甲苯的光催化降解率分别为38.8%，56.9%，74.0%。实验过程中催化剂都存在失活现象，光催化后反应管中的催化剂表面产生一层黄色物质，但未在 GC-FID上检测到苯系物气相光催化降解的中间产物。通过 GC-MS分析二甲苯光催化降解过程中覆盖在催化剂表面的物质，表明主要是二甲苯强烈吸附在催化剂表面导致其失活。400℃焙烧可以使其完全再生，结果表明，催化剂易于再生，七次循环实验催化剂活性没有降低，说明有较好的应用前景。

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第一章 绪论

1.1 VOCs的危害及治理

1.2 光催化技术概述

1.3 介孔材料简介

1.4 稀土元素掺杂TiO2光催化化学

1.5 主要研究内容和意义

参考文献

第二章 铕掺杂介孔锐钛矿TiO2的制备及气相光催化消除甲醇的研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 动力学研究

2.5 小结

参考文献

第三章 钐掺杂介孔TiO2的制备、表征及光催化消除甲醇和丙酮

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.5 小结

参考文献

第四章 镧掺杂介孔TiO2的制备、表征及光催化性能

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

参考文献

第五章 苯系物的光催化降解研究

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

附 录A（攻读学位期间发表的论文）