掺杂TiO2的制备、表征及L-酸的光降解

摘要

本文以S-TiO2为催化剂，研究L-酸在紫外光和可见光下的降解机理，采用GC/MS、HPLC/MS、FT-IR、1HNMR等多种手段分析测定光催化降解过程中的中间体，推测可能的降解历程。实验结果表明：L-酸可以被逐步降解为无机小分子化合物。L-酸分子中最易被氧化的是C-S键，-SO3H首先从萘环上断裂，形成硫酸根离子，L-酸的萘环被打开，并逐步降解成饱和烷烃以及含碳氧双键，碳碳双键以及羟基等基团的化合物，光降解主要的中间产物是萘醌和羟基萘醌。
　　 采用溶胶-凝胶法制备了S、Mo、Pt、Fe、Ag掺杂以及S/Mo、S/Pt、S/Fe、S/Ag共掺杂的TiO2粉末，利用XRD、XPS和UV-Vis等技术对样品进行了表征，以L-酸为目标物，考查了不同光源下各催化剂的光催化活性，利用ESR技术考察了催化剂在不同光源下的降解机理。结果表明：除Ag-TiO2与S/Ag-TiO2这两种催化剂外，其余均为单一的锐钛矿相，掺杂后催化剂的吸收带边发生了明显红移。对10mg·L-1的L-酸进行降解，在可见光下，S-TiO2光催化活性较好，而在紫外光下，S/Pt-TiO2、S/Ag-TiO2的光催化活性较好。经XPS分析发现，掺杂元素掺入到二氧化钛晶体中，使Ti2p结合能减小。S的掺杂不仅可以促进TiO2表面吸收大量的羟基氧，同时它还能带入大量的吸附氧，不仅使S-TiO2样品的光催化活性增大，同时也提高了金属与S共掺杂样品的光催化活性。通过ESR 测试发现：催化剂在紫外光照射下能产生·OH、·O2-和·OOH的自由基，在可见光下主要产生·O2-和·OOH自由基。
　　 采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法，通过构造超晶胞模型，按GGA-PW91水平计算出不同元素掺杂的锐钛矿TiO2的能带结构以及电子态密度。结果表明：掺杂后除Mo-TiO2、Pt-TiO2、Ag-TiO2外，其余掺杂使TiO2的带隙减小。掺杂后TiO2带隙中都产生了杂质能带，这些杂质能带的存在可以很好地解释TiO2禁带宽度的变化。对于单掺杂S以及S与金属共掺杂催化剂，在导带底、价带顶或禁带中间会产生杂质能级，降低了TiO2的禁带宽度，能促进电子-空穴对的分离。Ag与Fe掺杂时，掺杂能级对禁带宽度的影响不是很明显，而Mo与Pt掺杂时，使TiO2的禁带宽度变大，不利于电子的跃迁。因而单掺杂S以及S与金属共掺杂能提高TiO2的光催化活性，这与可见光下各催化剂对L-酸的去除率结果相一致。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章L-酸降解机理的研究

第三章掺杂TiO2催化剂的制备与表征

第四章结论与建议

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