具有可见光活性的纳米TiO2光催化剂的制备及其应用研究

摘要

本文首先研究了光催化剂的制备方法——溶胶-凝胶法(SG)和沉淀-浸渍法(PD)。结果发现两种方法制备的纳米TiO2的颗粒粒径、晶格畸变程度、比表面积均很相近；就光催化活性和制备工艺过程而言,PD法要略优于SG法。但SG法对纳米级光催化剂进行负载固定化效果好,而PD法效果差。
　　 对只有紫外光活性的TiO2进行元素共掺杂改性,拓展其可见光吸收性能。由此,研究了四种共掺杂型光催化剂:Ni、S,Ni、N,Co、N及Co、N、S共掺杂。结果表明,经掺杂改性的TiO2均具有良好的可见光催化活性,能扩展其光谱吸收范围。相比而言,Ni/S/TiO2和Ni/N/TiO2的可见光催化活性一般；Co/N/TiO2的可见光活性很好,在纯粹可见光(λ>400nm)下对Tl探针的降解率为87.5％。与单掺Co或N相比,在其紫外区吸光性能变化不大的情况下,可见光吸收性能却得到了显著提高；Co/N/S/TiO2的可见光活性最好,在纯粹可见光下降解率为88.4％。与单掺Co、N或N/S的TiO2相比,其在紫外区和可见光区的吸光能力均得到显著的提高。
　　 利用DRS、XRD、TEM、EDX和XPS等表征手段研究了改性光催化剂的吸光性能、结晶形态、晶粒尺寸、表面形态及元素掺杂量等。结果表明,四种新型催化剂均为锐钛矿相,且元素的掺杂不会影响TiO2相转变温度,催化剂平均粒径约在6～11纳米左右。相比于20nm粒径的P25而言,改性催化剂颗粒粒径更小,比表面积更大,有利于改善其可见光催化性能。DRS结果显示各催化剂均有不同程度的红移现象,红移程度按由小到大的顺序排列为:Ni/S/TiO2≈Ni/N/TiO2　　 改性光催化剂Co/N/TiO2或Co/N/S/TiO2负载活性炭后,其光催化活性有所下降,但差别不是很大。且Co/N/TiO2-AC和Co/N/S/TiO2-AC的可见光催化性能均要远远高于TiO2-AC,对水体中主要的有机污染物——腐植酸均有良好的可见光活性,光照3h后降解率分别达到了87.72％和85.94％。通过SG法能较好的进行负载,达到了纳米级光催化剂分离、回收的目的。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 TiO2光催化技术

1.2.1 TiO2光催化原理

1.2.2 TiO2的结构和表面性能

1.2.3 TiO2光催化剂的合成

1.3 TiO2光催化剂的改性

1.3.1 贵金属沉积

1.3.2 复合半导体

1.3.3 离子掺杂

1.3.4 光敏化

1.3.5 表面还原处理

1.3.6 表面螯合及衍生作用

1.3.7 超强酸化

1.4 TiO2光催化剂的应用研究

1.4.1 光催化剂的固定化

1.4.2 光催化氧化技术

1.5 发展前景及展望

1.6 本研究的目的和内容

第二章 实验部分

2.1 实验试剂与仪器

2.2 掺杂改性光催化剂的制备

2.2.1 纳米纯TiO2的制备

2.2.2 Ni/S/TiO2的制备

2.2.3 Ni/N/TiO2的制备

2.2.4 Co/N/TiO2光催化剂的制备

2.2.5 Co/N/S/TiO2的制备

2.3 活性炭负载型光催化剂的制备

2.3.1 活性炭(AC)的预处理

2.3.2 负载型光催化剂Co/N/TiO2-AC和Co/N/S/TiO2-AC的SG法制备

2.4 腐植酸溶液的配制

2.5 光催化剂的活性评价及表征方法

2.5.1 活性评价方法

2.5.2 表征方法

第三章 纳米TiO2光催化剂制备方法的研究

3.1 光催化剂避光吸附效果比较

3.2 光催化活性比较

3.3 不同方法制备的TiO2的XRD结果比较

3.4 两种方法工艺过程的比较

3.5 产量比较

3.6 本章小结

第四章 掺杂改性TiO2光催化剂的研究

4.1 Ni、S共掺杂改性TiO2

4.1.1 工艺优化

4.1.2 Ni/S/TiO2光催化剂的活性评价

4.1.3 溶液PH值对Ni/S/TiO2催化活性的影响

4.1.4 光催化剂的性能及结构表征

4.1.5 本部分结论

4.2 Ni、N共掺杂改性TiO2

4.2.1 工艺优化

4.2.2 Ni/N/TiO2光催化剂的活性评价

4.2.3 光催化剂的性能及结构表征

4.2.4 本部分结论

4.3 Co、N共掺杂改性TiO2

4.3.1 工艺优化

4.3.2 Co/N/TiO2光催化剂的活性评价

4.3.3 光催化剂的性能及结构表征

4.3.4 本部分结论

4.4 Co、N、S共掺杂改性TiO2

4.4.1 工艺优化

4.4.2 光催化剂的活性评价

4.4.3 光催化剂的性能及结构表征

4.4.4 本部分结论

第五章 活性炭负载改性纳米TiO2及其应用研究

5.1 避光吸附时间的确定

5.2 制备方法的选择

5.3 Co/N/TiO2-AC的工艺优化

5.4 Co/N/TiO2-AC和Co/N/S/TiO2-AC负载型光催化剂的活性研究

5.4.1 降解活性艳蓝X-BR溶液

5.4.2 降解腐植酸溶液

5.5 负载型光催化剂的性能及结构表征

5.5.1 紫外-可见漫反射图谱分析

5.5.2 光催化剂的XRD表征(以Co/N/TiO2-AC为例)

5.5.3 光催化剂的XPS表征(以Co/N/TiO2-AC为例)

5.6 本章小结

第六章 总结论

参考文献

致谢

作者简历