纳米材料在环境检测和水脱氮处理中的应用

摘要

本文采用光催化还原法制备了单金属Fe、Cu掺杂、双金属Fe-Cu、Zn-Cu、Ag-Cu共沉积掺杂的TiO<,2>光催化剂，应用TEM等仪器表征手段对所制备的光催化剂进行了表征。重点考察了影响Cu/TiO<,2>光催化还原硝酸氮的主要因素。并对共沉积两种金属的比例对光催化活性的影响进行了考察。此外，本文采用恒电位法制备纳米聚苯胺膜，研究了其测定硝酸氮的可能性。论文主要研究工作的结论如下： (1)对所制备的单金属掺杂、双金属共沉积催化剂进行TEM、ICP、XRD及UV-Vis分析。结果表明，金属高度分散于TiO<,2>表面，粒径为2nm～5nm，EDX对1：1Fe-Cu/TiO<,2>的分析表明二氧化钛表面有Fe的存在。通过对1.5％Cu/TiO<,2>进行ICP检测也表明金属确实负载在二氧化钛表面。 (2)考察pH值、搅拌气体、金属种类及金属负载量、空穴清除剂等因素对单金属沉积TiO<,2>光催化还原硝酸氮的影响。pH值影响TiO<,2>表面电荷性质，进而影响催化剂表面吸附物种及后续反应。CO<,2>作为搅拌气体，可去除反应中溶解氧、调节反应过程中pH的变化，还有可能形成还原性的CO<,2><'->，促进硝酸氮光催化还原反应的进行。金属晶核-TiO<,2>体系相当于一个超微闭路光电化学电池，金属适量沉积可促进光生电子和空穴的分离，提高光催化效率。利用硼氢化钠还原处理光催化沉积的催化剂，进一步提高了光催化活性。加入甲酸除了可以消耗自由基等氧化物种、分离光生电子和空穴，促进硝酸氮、亚硝酸氮向氮气的转化，提高氮气选择性。当0.5％Cu/TiO<,2>作催化剂，CO<,2>作搅拌气体，0.06mol/L甲酸作空穴清除剂时，氮气选择性可达88.4％。 (3)对不同比例双金属共沉积光催化剂的活性进行了考察，发现Fe、Zn的掺入并没有增强Cu/TiO<,2>的光催化活性。而Ag的加入却大大改善了其光催化活性。使用1：1Ag-Cu/TiO<,2>作光催化剂，在CO<,2>搅拌，加入0.06mol/L甲酸的条件下，其可使硝酸氮转化率、总氮去除率分别达到48.1％、34.2％。 (4)采用聚苯胺膜测定硝酸氮时，制备聚苯胺的最佳电解电位为0.8V，使用循环伏安法确定了硝酸氮的测量电位范围为0V～1.7V，在pH=3.58处，出现了与硝酸氮浓度有关的还原峰，当硝酸氮的浓度在20mg/L～100mg/L的范围内时，电流的响应值对数与所测浓度存在线性关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1综述

1.1无机氮废水的来源、危害及处理技术

1.1.1无机氮废水的来源

1.1.2无机氮废水的危害

1.1.3污水脱氮技术

1.2光催化技术

1.2.1光催化反应机理

1.2.2TiO2光催化反应的影响因素

1.2.3提高光催化反应的途径

1.2.4光催化反应的应用

1.2.5光催化反应的研究进展

1.3传感器在污水检测中的应用

1.3.1光学传感器

1.3.2电学传感器

1.3.3生物传感器

1.3.4纳米传感器

2研究目的、意义及内容

2.1研究目的和意义

2.2研究内容

3金属掺杂光催化剂的制备和表征

3.1实验试剂与仪器

3.2催化剂的制备方法

3.2.1单金属掺杂催化剂的制备

3.2.2双金属共掺杂催化剂的制备

3.3催化剂的表征

3.3.1透射电镜(TEM)分析

3.3.2等离子发射光谱仪(ICP)分析

3.3.3X射线衍射(XRD)分析

3.3.4全波长扫描(UV-Vis)吸收光谱分析

3.4本章小结

4单金属掺杂TiO2光催化还原硝酸氮

4.1实验部分

4.1.1实验药品与装置

4.1.2实验方法

4.2实验结果与讨论

4.2.1pH值的影响

4.2.2搅拌气体的影响

4.2.3负载金属种类和金属负载量的影响

4.2.4空穴清除剂的影响

4.2.5其他影响因素

4.3本章小结

5双金属掺杂TiO2光催化还原硝酸氮

5.1实验部分

5.1.1实验药品与装置

5.1.2实验方法

5.2实验结果与讨论

5.2.1Fe-Cu/TiO2光催化还原硝酸氮

5.2.2Zn-Cu/TiO2光催化还原硝酸氮

5.2.3Ag-Cu/TiO2光催化还原硝酸氮

5.3本章小结

6传感器在环境检测中的应用

6.1实验试剂与仪器

6.2传感器的制备

6.3对硝酸根的测定

6.4实验结果与讨论

6.4.1恒电位法中电解电位的确定

6.4.2测定电位的确定

6.4.3pH值对聚苯胺测定硝酸氮的影响

6.4.4聚苯胺对不同浓度硝酸氮的测定

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢