特殊形貌TiO2与纳米碳材料复合催化剂的制备及污水净化性能研究

摘要

环境和能源问题是人们亟需解决的两大难题，如何处理非自然高毒性、低浓度的污染废水是环境领域的重要研究课题。半导体光催化剂因其无毒、绿色且效果好成为处理污染废水的重要手段之一。传统的TiO2光催化剂虽然无毒稳定、光催化效果好而倍受青睐，但是其禁带宽度大，仅被紫外光激发等缺点阻碍其实际应用推广。针对这个问题，本文通过简单的水热法合成了具有特殊形貌的TiO2，将其与稳定性高、强度好、比表面积大的于石墨烯和碳纳米管复合，成功制得了TiO2/C复合催化剂，并分别应用于含油废水和水体中持久性污染物的去除。具体的研究内容如下：
　　(1)将传统的碱水热法上进行改进：在持续搅拌的条件下，以NaBH4为还原剂，一步水热成功制得了TiO2纳米线/rGO复合催化剂粉末前驱体，粉末烘干后以氮气为保护气体，在较低的温度下使用普通的电阻式管式炉煅烧出晶型结构完整、比表面积大的锐钛矿型TiO2纳米线/rGO复合催化剂。通过调节不同还原剂的摩尔比，探索出最佳的制备条件。将制备出的复合催化剂应用于含油废水的油污吸附，通过测定废水的COD值来判断油污被吸附的含量。实验表明当还原剂添加量为100 mmol/L时复合催化剂吸附油污的效果最好，持续增加含油废水的催化剂含量其相应COD持续减小，当催化剂含量为3 g/100ml时，油污去除率已达85.9％。实验中还考察了催化剂的自净化能力，通过红外测试证明催化剂在阳光照射下具有一定的自净化能力。
　　(2)使用二乙烯三胺(DETA)为表面活性剂、钛酸四丁酯为钛源，通过简单的水热反应合成了具有特殊形貌的、比表面积大的多级分层TiO2微球；而后和不同质量的碳纳米管(CNTs)复合，成功制备出不同比例的TiO2/CNTs复合催化剂。利用碳纳米管(CNTs)优异的电子传输能力，在TiO2微球之间形成电子传输网络，将此二元复合催化剂应用于水环境持久污染物4NP的去除，经实验分析得出当碳纳米管(CNTs)的添加量为5%时，4NP降解效率达到了97%，光催化效果最好且具有良好的稳定性。实验中还讨论了不同浓度、pH等因素对4NP降解效果的影响，得出4NP浓度为5 mg/L~10 mg/L、pH=3时有着最佳降解效果；并研究发现在降解过程中羟基自由基(·OH)起主要的作用，超氧负自由基(·O2-)和光生空穴(h+)起次要作用。
　　(3)实验中还研讨了苯环上取代基对苯酚类化合物催化效果的影响，将对硝基苯酚、对氨基苯酚和2-氯-4-氨基苯酚三种拥有不同取代基的苯酚类化合物在相同的条件下模拟太阳光下进行光降解，我们发现降解效率与苯环上取代基的供/吸电子性质相关，即供电子基会使苯环上电子云密度增大，易吸引缺电子基团·OH和h+的进攻，从而更容易降解目标污染物。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 纳米TiO2光催化剂

1.2.1 纳米TiO2的光催化机理

1.2.2 纳米TiO2的改性研究

1.2.3 TiO2的形貌研究

1.3 纳米碳材料

1.3.1 石墨烯

1.3.2 碳纳米管

1.4 课题的研究和意义

第二章 弯曲TiO2纳米线/石墨烯复合催化剂的制备及其对含油废水处理的研究

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2.3 催化剂的制备

2.2.4 催化剂的表征

2.2.5 催化剂油污吸附及光催化性能研究

2.2.6 催化剂的光电性能研究

2.3 结果与讨论

2.3.1 催化剂微观形貌表征

2.3.2 X射线衍射分析(XRD)

2.3.3 拉曼光谱分析(Raman)

2.3.4 比表面积分析(BET)

2.3.5 紫外可见漫反射(UV)

2.3.6 光致荧光光谱表征(FL)

2.3.7 光电性能测试(I-t)

2.3.8 X射线荧光光谱分析(XRF)

2.3.9 TiO2纳米线/rGO的油污吸附性能研究

2.3.10 TiO2纳米线/rGO的自净化性能研究

2.3.11 TiO2纳米线/rGO的光催化性能及机理分析

2.3.12 TiO2纳米线/rGO可能的催化机理

2.4小结

第三章 多级分层TiO2微球/碳纳米管复合催化剂的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 实验

3.2.1 实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.2.3 催化剂的制备

3.2.4 催化剂的表征

3.2.5 催化剂性能的研究

3.3 结果与讨论

3.3.1 催化剂微观形貌表征

3.3.2 X射线衍射分析(XRD)

3.3.3 比表面积分析(BET)

3.3.4 拉曼光谱分析(Raman)

3.3.5 紫外可见漫反射与光致荧光光谱表征(UV and FL)

3.3.6 光电流和交流阻抗 (I-t and EIS)

3.3.7 EDS能谱分析

3.3.8 X射线光电子能谱分析(XPS)

3.3.9 催化剂的光催化活性研究

3.3.10 TiO2/CNTs复合催化剂光催化机理研究

3.3.11苯环上取代基对苯酚类化合物催化效果的影响与机理探讨

3.4小结

第四章 结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢

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