基于二氧化钛表面罗丹明B分子印迹光催化剂的制备及性能研究

摘要

TiO2因催化活性高，反应速率快，成本低，无毒等特性，被公认为最具潜力的半导体光催化材料。然而，TiO2光催化反应选择性差，其应用受到了限制。分子印迹技术(MIT)是一种制备对目标化合物具有高度亲和力和选择性的聚合物材料的技术，广泛应用于医药、环境、食品以及催化等领域。将MIT应用于TiO2光催化剂的改性，对改善其催化选择性能具有十分重要的意义。
　　本研究以罗丹明B（RhB）为模板分子，TiO2为载体，采用表面分子印迹技术分别制备了紫外光和可见光响应的RhB表面印迹光催化剂（RhB-MIP/TiO2和MIPRhB-PPy/TiO2）并对其进行了结构表征。系统考察了两种印迹光催化剂的吸附平衡、吸附动力学、吸附选择性和选择性催化活性等性能。在此基础上，分别探讨其印迹、识别、吸附和催化机理。研究的主要结论如下:
　　1.罗丹明B分子印迹光催化剂(RhB-MIP/TiO2)的制备及性能研究
　　(1)以RhB为模板分子，采用分子印迹技术制备了RhB表面分子印迹光催化剂(RhB-MIP/TiO2)，并采用FT-IR、SEM和XRD等多种表征手段研究了RhB-MIP/TiO2的结构和形貌特征，结果表明，RhB-MIP/TiO2纳米颗粒表面粗糙不平，表面印迹层厚度约为6nm。
　　(2)静态结合实验表明，RhB-MIP/TiO2对RhB显示出良好的亲和性和吸附选择性，Scatchard分析揭示，RhB-MIP/TiO2对RhB具有高低不同亲和力的两类结合位点，其中高低亲和力结合位点的离解常数分别为0.1379和0.6146μmol/mL，最大表观结合量分别为28.52和88.07μmol/g。吸附动力学实验表明，RhB-MIP/TiO2具有快速吸附的动力学特征，其吸附行为可用准二级吸附动力学方程加以描述。吸附热力学实验表明，在实验温度范围内，RhB-MIP/TiO2对RhB的吸附是自发进行的，且吸附是吸热过程。选择性吸附实验表明，RhB-MIP/TiO2对RhB的静态分配系数明显大于其对照物，对对照物罗丹明6G(Rh6G)和亚甲基蓝(MB)的分离因子均达到了2以上，RhB-MIP/TiO2对RhB具有显著的专一分子识别能力。
　　(3)选择性降解实验表明，RhB-MIP/TiO2降解RhB的表观速率常数为0.0212min-1，分别是降解Rh6G和MB(0.0081min-1和0.0078min-1)的2.6和2.7倍。RhB-MIP/TiO2对RhB具有较高的催化选择性。
　　2.罗丹明B导电聚吡咯/TiO2印迹光催化剂(MIPRhB-PPy/TiO2)的制备及性能研究
　　(1)以RhB为模板分子，采用表面分子印迹技术制备了导电聚吡咯/TiO2光催化剂(MIPRhB-PPy/TiO2)。采用TEM、XRD、DRS以及瞬态光电流响应等多种表征手段研究了MIPRhB-PPy/TiO2的形貌和结构特征，结果表明MIPRhB-PPy/TiO2表面印迹层厚度约为2nm，在可见光区可以吸收更多的光子，能够高效地分离光生空穴和电子对。
　　(2)静态结合实验中，MIPRhB-PPy/TiO2对RhB显示出良好的亲和性和选择性吸附性能，Scatchard分析表明，MIPRhB-PPy/TiO2对RhB具有高低不同亲和力的结合位点，其中高低亲和力结合位点的离解常数分别为20.75和82.64μmol/L，最大表观结合量分别为7.41和14.07μmol/g。吸附动力学实验表明，MIPRhB-PPy/TiO2在前25 min内对RhB的吸附速率较快，50 min后基本达到饱和吸附，其吸附行为可用准二级吸附动力学方程加以描述。MIPRhB-PPy/TiO2对RhB的静态分配系数明显大于其他对照物，对对照物的分离因子均达到了1.75以上，MIPRhB-PPy/TiO2对RhB具有显著的专一分子识别能力。
　　(3) MIPRhB-PPy/TiO2对RhB降解的表观速率常数为0.0158min-1，分别是Rh6G和MB降解（0.0082min-1和0.0072min-1）的1.9和2.2倍。MIPRhB-PPy/TiO2对RhB具有较高的催化选择性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米TiO2的光催化作用

1．1．1 纳米TiO2光催化作用机制

1．1．2 纳米TiO2光催化作用影响因素

1．1．3 纳米TiO2光催化作用的应用

1．1．4 纳米TiO2光催化作用存在的问题以及改性方法

1．2 分子印迹技术

1．2．1 分子印迹技术简介

1．2．2 分子印迹技术的基本原理

1．2．3 分子印迹技术的方法与特点

1．2．4 分子印迹聚合物的制备

1．2．5 分子印迹技术的应用

1．2．6 分子印迹技术的现状和发展趋势

1．3 课题研究的背景、内容及意义

1．3．1 研究背景

1．3．2 研究意义

1．3．3 主要研究内容

第二章 罗丹明B分子印迹光催化剂(RhB-MIP／TiO2)的制备及性能研究

2．1 实验内容

2．1．1 试剂与仪器

2．1．2 RhB-MIP／TiO2的制备

2．1．3 RhB-MIP／TiO2的结构表征

2．1．4 等温吸附实验

2．1．5 动态吸附实验

2．1．6 选择性吸附实验

2．1．7 选择性催化降解

2．1 结果与讨论

2．2．1 功能单体的选择

2．2．2 RhB-MIP／TiO2的结构表征

2．2．3 等温吸附曲线和Scatchard分析

2．2．4 吸附模型讨论

2．2．5 吸附动力学

2．2．6 吸附热力学

2．2．7 选择性吸附实验

2．2．8 印迹效率分析

2．2．9 RhB-MIP／TiO2的印迹与识别机理

2．2．10 选择性催化降解

2．2．11 催化剂的再生性

2．2．12 降解机理

2．3 本章小结

第三章 罗丹明B导电聚吡咯／TiO2印迹光催化剂(MIPRhB-PPy／TiO2)的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 实验内容

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 MIPRhB-PPy／TiO2的制备

3．2．3 MIPRhB-PPy／TiO2的表征

3．2．4 等温吸附实验

3．2．5 动态吸附实验

3．2．6 选择性吸附实验

3．2．7 光电流测试

3．2．8 选择性催化降解

3．3 结果与讨论

3．3．1 结构表征

3．3．2 瞬态光电流响应

3．3．3 等温吸附曲线和Scatchard分析

3．3．4 吸附动力学

3．2．5 选择性吸附实验

3．2．6 印迹效率分析

3．2．7 MIPRhB-PPy／TiO2的印迹与识别机理

3．2．8 MIPRhB-PPy／TiO2对RhB的光催化选择性

3．2．9 MIPRhB-PPy／TiO2的再生性能

3．2．10 降解机理

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要科研成果