铋基氧化物和铈基复合氧化物上亚甲基蓝光催化降解性能的研究

摘要

随着工业科技的发展，化工过程产生了大量的污染物，使得人类赖以生存的水资源无论在质量和数量上都在减少。有机染料的使用就是这样一个典型的污染水源的过程。有机染料具有着色强、稳定性好的特性，使得其废水处理的难度增大，水质污染也越来越严重。因而，对于如何高效的降解有机染料污染物成了研究者们的重要研究课题之一。本文选取了有机染料中具有代表意义的亚甲基蓝(MB，methylene blue)为反应物，以铋基氧化物和铈基复合氧化物为催化剂，考察了可见光下光催化降解亚甲基蓝的性能。
　　实验条件的筛选对于整个实验至关重要，研究课题首先对光催化降解反应条件进行优化:包括亚甲基蓝的浓度，催化剂用量，吸附平衡时间以及亚甲基蓝自降解的影响。通过对一系列实验条件的优化得到反应的最佳实验条件，即催化剂用量为5 mg/mL，亚甲基蓝溶液浓度为4～5 ug/mL，暗室静置吸附平衡时间为1h，光源为220 W钨灯，并以此建立整个实验体系。
　　铋系材料在光催化领域有着较好的应用前景，本文制备了三个系列的铋系材料，包括不同晶相的氧化铋、Ca-Bi复合氧化物及Ti-Bi复合氧化物催化剂并对其进行了光催化降解亚甲基蓝性能的测试。研究结果表明:1）铋氧化物的光催化性能与氧化铋的晶相相关，其中α-氧化铋的光催化活性优于γ-氧化铋;用沉淀法制得的铋氧化物中α-氧化铋光催化活性最高，随着焙烧温度的升高，α-氧化铋逐渐转变为γ-氧化铋，在光催化降解亚甲基蓝反应中活性明显降低;2）用浸渍法制备的Ca-Bi复合氧化物的光催化降解亚甲基蓝活性与Ca-Bi-O的组成相关，经600℃焙烧后形成的活性组分Bi1.8Ca0.4O具有最高的光催化活性，反应4小时后，亚甲基蓝降解率达到99.33％;3）Ti-Bi复合氧化物催化剂随着Ti掺杂量的增加亚甲基蓝降解的光催化活性增加。
　　铈基材料作为催化剂在多个领域都有较为突出的催化活性，而在光催化领域的研究则相对较少。本研究采用水热合成法制备了不同形貌的氧化铈和Ce-Sn-O、Ce-Zn-O系列的铈基复合化合物。通过实验证明:氧化铈的形貌在亚甲基蓝降解活性方面存在一定的影响，其对亚甲基蓝的初始降解速率较高，但失活较快，反应4小时后，降解率比初始的第一小时仅增加了10％左右。Ce-Sn-O、Ce-Zn-O系列催化剂通过物相表征说明Sn、Zn能够掺杂进入氧化铈的晶胞，但对氧化铈的光催化活性没有促进作用。考察了太阳光下Ce-Ti-O系列催化剂上亚甲基蓝光催化活性。结果表明少量Ce的引入可提高催化剂的光催化活性。Au/Ce0.03TiO2催化剂上亚甲基蓝光催化降解第一小时的降解率可达99％，明显高于Au/TiO2(P25)较高;Au/CexTiyO2催化光催化降解亚甲基蓝符合动力学一级反应，少量的Ce引入能够明显提高动力学常数，因而具有更高的降解速率。

目录

声明

摘要

引言

第一章 文献综述

1．1 有机染料对环境污染的影响

1．2 有机染料亚甲基蓝的概述

1．3 亚甲基蓝污染物的消除方法

1．3．1 电化学方法

1．3．2 生物法

1．3．3 光催化法

1．4 光催化剂的发展现状及趋势

1．4．1 铋系光催化材料的研究进展

1．4．2 铈基材料在光催化中的应用

1．5 本论文的主要研究内容及目标

第二章 实验部分

2．1 主要仪器及药品

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．2 实验表征方法

2．2．1 X-射线粉末衍射(XRD)

2．2．2 紫外可见漫反射(DRS)

2．2．3 紫外可见吸收光谱

2．2．4 透射电镜(TEM)

2．2．5 拉曼光谱仪(Raman spectroscopy)

2．3 催化剂的反应性能评定

2．3．1 亚甲基蓝的工作曲线

2．3．2 降解率的计算

第三章 催化反应实验条件的优化

3．1 亚甲基蓝浓度的影响

3．2 催化剂用量的影响

3．3 吸附平衡时间的确定

3．4 亚甲基蓝自降解的影响

3．5 亚甲基蓝溶液pH值的影响

3．6 光催化反应体系的建立

第四章 铋系催化剂的制备及其光催化降解亚甲基蓝性能

4．1 CaBiOx催化剂太阳光下与钨灯下降解亚甲基蓝性能

4．1．1 催化剂的制备

4．1．2 催化剂结构表征

4．1．3 催化活性测试

4．1．4 小结

4．2 BiOx系列催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

4．2．1 催化剂的制备

4．2．2 催化剂结构表征

4．2．3 固体紫外测试

4．2．4 催化剂活性测试

4．2．5 小结

4．3 TiBiOx系列催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

4．3．1 催化剂的制备

4．3．2 催化剂结构表征

4．3．3 催化剂活性测试

4．3．4 小结

第五章 铈基催化剂制备及其光催化活性

5．1 二氧化铈催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

5．1．1 不同形貌二氧化铈的制备

5．1．2 催化剂结构表征

5．1．3 催化剂活性测试

5．1．4 小结

5．2 Ce-Sn-O催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

5．2．1 催化剂的制备

5．2．2 催化剂结构表征

5．2．3 催化剂活性测试

5．2．4 小结

5．3 Ce-Zn-O催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

5．3．1 催化剂的制备

5．3．2 催化剂结构表征

5．3．3 催化剂活性测试

5．3．4 小结

5．4 Ce-Ti-O催化剂光催化降解亚甲基蓝性能

5．4．1 催化剂制备

5．4．2 拉曼谱图

5．4．3 催化剂活性测试

5．4．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

作者简介

致谢