掺磷二氧化钛光催化剂的制备与表征

摘要

纳米TiO<,2>光催化剂在常温、常压下能够将一些毒性大、生物难降解的有机污染物彻底氧化为H<,2>O、CO<,2>等小分子，而且由于光催化活性高、化学性质稳定、价格低廉而被广泛研究和应用。但是，纳米TiO<,2>溶胶在制备和负载过程中通常需要高温煅烧，而且在实际应用过程中还存在光响应波长短等问题，这就极大地限制了其广泛应用。本论文主要针对以上两个问题进行了如下研究： 首先，以TiCl<,4>为原料，硝酸为反应介质，在低于100℃条件下制得锐钛矿型纳米TiO<,2>溶胶和掺磷TiO<,2>溶胶，并考察了各种因素对TiO<,2>溶胶结构和性能的影响，采用正交试验法确定了锐钛矿型纳米TiO<,2>溶胶的最佳制备条件，探讨了锐钛矿型TiO<,2>的形成机理。分别利用XRD、TEM、UV-vis和FT-IR对TiO<,2>溶胶进行微观结构表征，发现： TiO<,2>溶胶和掺磷TiO<,2>溶胶均呈锐钛矿晶型，颗粒粒径小于10 nm，后者的结晶度更高且分散更均匀；磷酸的加入使得TiO<,2>的吸收带边发生了不同程度的蓝移，掺磷TiO<,2>在紫外光区的吸光度明显升高。 第二，对上述溶胶进行稳定性能表征，发现：TiO<,2>溶胶和掺磷TiO<,2>溶胶显酸性，加水稀释任意倍数不会出现沉淀，在酸性介质中可以长时间存在不会出现沉淀，但是遇碱马上发生沉淀。分别用TiO<,2>溶胶、掺磷TiO<,2>溶胶和玻璃弹簧负载TiO<,2>薄膜、掺磷TiO<,2>薄膜对染料溶液进行光催化降解实验进行光催化性能表征，发现：掺磷TiO<,2>溶胶和薄膜分别比TiO<,2>溶胶和薄膜具有更高的光催化性能，且镀4层膜较其他层数膜光催化性更强；随着镀膜温度的升高，TiO<,2>薄膜和掺磷TiO<,2>薄膜，光催化能力都有所降低，但是薄膜在玻璃弹簧上的附着力却随显著提高了，有利于长时间的反复使用。 第三，以TiCl<,4>为原料，过氧化氢为反应介质，在低于100℃条件下制得锐钛矿型纳米TiO<,2>溶胶和掺磷TiO<,2>溶胶，并考察了各种因素对TiO<,2>溶胶结构和性能的影响，探讨了锐钛矿型TiO<,2>的形成机理。通过对TiO<,2>溶胶进行微观结构表征，发现：TiO<,2>溶胶和掺磷TiO<,2>溶胶均呈锐钛矿晶型，颗粒呈梭形，分散性较好，后者的结晶度更高；两者在可见光区均有较大的光吸收，最大吸收波长为550nm，磷的加入使得TiO<,2>的禁带宽度变大。 第四，对溶胶进行稳定性能表征，发现：TiO<,2>溶胶显中性，掺磷TiO<,2>溶胶显弱酸性，加水稀释任意倍数不会出现沉淀，并可长时间保存，但是在酸性和碱性介质中会立即出现沉淀。通过对染料溶液和难降解的苯酚溶液进行光催化降解实验对两类TiO<,2>溶胶和薄膜进行了光催化性能表征，发现：TiO<,2>溶胶和薄膜具有很高的光催化性能，相比之下，掺磷TiO<,2>溶胶和薄膜光催化性能更高，且镀3层膜光催化能力最强。通过对玻璃弹簧负载TiO<,2>薄膜进行粘结性能表征，发现：随着镀膜温度的升高，TiO<,2>薄膜和掺磷TiO<,2>薄膜，光催化能力都有所降低，．但是薄膜在玻璃弹簧上的附着力却随显著提高了，尤其是600℃玻璃弹簧负载掺磷TiO<,2>薄膜经过360 min超声振荡后仍然有很好的光催化能力，有利于长时间的反复使用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述及课题选择

1.1引言

1.2 TiO2光催化剂的发展现状

1.2.1 TiO2的光催化原理

1.2.2影响TiO2光催化活性的因素

1.2.3纳米TiO2光催化剂的制备

1.2.4提高TiO2光催化活性的途径

1.2.5 TiO2光催化剂的固定化

1.3 TiO2光催化剂的发展趋势

1.3.1将掺杂改性与固定负载相结合

1.3.2高效光催化反应器的设计制造

1.3.3磁性悬浮负载型TiO2光催化剂的研制

1.3.4 TiO2溶胶光催化剂在制备和应用过程中遇到的困难

1.4课题的目的及意义

第二章酸性介质中低温制备纳米TiO2溶胶

2.1试验仪器和试剂

2.2试剂的配制

2.2.1 TiCl4盐酸溶液的配制

2.2.2 1∶9氨水溶液的配制

2.2.3各种酸溶液的配制

2.2.4硝酸银溶液的配制

2.2.5 NaOH标准溶液的配制

2.2.6各种染料溶液的配制

2.3锐钛矿型纳米TiO2溶胶的制备

2.3.1锐钛矿型纳米TiO2溶胶制备的原理

2.3.2实验装置

2.3.3锐钛矿型纳米TiO2溶胶的制备

2.4纳米TiO2溶胶的表征

2.4.1 XRD测试

2.4.2 TEM测试

2.4.3光催化性能测试

2.5制备条件对纳米TiO2溶胶的影响

2.5.1改变酸的种类制备TiO2溶胶

2.5.2改变洄流温度制备TiO2溶胶

2.5.3改变酸的浓度制备TiO2溶胶

2.5.4改变洄流时间制备TiO2溶胶

2.6结果与讨论

2.6.1纳米TiO2溶胶的表征

2.6.2制备条件对纳米TiO2溶胶的影响

2.7正交实验确定TiO2溶胶的最佳制备条件

2.8 TiO2溶胶的制备机理探讨

2.9本章小结

第三章酸性介质中制备的TiO2和P/TiO2溶胶的性能研究

3.1试验仪器和试剂

3.1.1试验所用试剂

3.1.2试验所用仪器

3.2实验所需试剂的配制

3.2.1各种染料溶液的配制

3.2.2其他试剂的配制

3.2.3玻璃弹簧载体的预处理

3.3 TiO2溶胶和P/TiO2溶胶的制备

3.4溶胶的性能表征

3.4.1溶胶的微观结构表征

3.4.2溶胶的稳定性能表征

3.4.3溶胶的光催化性能表征

3.4.4玻璃弹簧负载P/TiO2薄膜的光催化性能表征

3.4.5溶胶的黏附性能表征

3.5结果与讨论

3.5.1溶胶的微观结构表征结果

3.5.2溶胶的稳定性能表征结果

3.5.3溶胶的光催化性能表征结果

3.5.4玻璃弹簧负载P/TiO2薄膜的光催化性能表征结果

3.5.5溶胶的黏附性能表征结果

3.6本章小结

第四章中性介质中低温制备纳米TiO2溶胶

4.1试验仪器和试剂

4.2试剂的配制

4.2.1 TiCl4盐酸溶液的配制

4.2.2品红溶液的配制

4.2.3其他试剂的配制

4.3锐钛矿型纳米TiO2溶胶的制备

4.3.1锐钛矿型纳米TiO2溶胶制备的原理

4.3.2实验装置

4.3.3锐钛矿型纳米TiO2溶胶的制备

4.4纳米TiO2溶胶的表征

4.4.1 XRD测试

4.4.2 TEM测试

4.5制备条件对纳米TiO2溶胶的影响

4.5.1改变洄流温度制备TiO2溶胶

4.5.2改变洄流时间制备TiO2溶胶

4.5.3不加入H2O2制备TiO2溶胶

4.5.4光催化性能测试

4.6结果与讨论

4.6.1纳米TiO2溶胶的表征

4.6.2制备条件对纳米TiO2溶胶的影响

4.7 TiO2溶胶的制备机理探讨

4.8本章小结

第五章中性介质中制备的TiO2和P/TiO2溶胶的性能研究

5.1试验仪器和试剂

5.2试剂的配制

5.2.1苯酚溶液的配制

5.2.2某化工厂苯酚废液的预处理

5.2.3品红溶液的配制

5.3 TiO2溶胶和P/TiO2溶胶的制备

5.4溶胶的性能表征

5.4.1溶胶的微观结构表征

5.4.2溶胶的稳定性能表征

5.4.3溶胶的光催化性能表征

5.4.4玻璃弹簧负载P/TiO2薄膜的光催化性能表征

5.4.5溶胶的黏附性能表征

5.4.6 P/TiO2的实际应用初步探索

5.5结果与讨论

5.5.1溶胶的微观结构表征结果

5.5.2溶胶的稳定性能表征结果

5.5.3溶胶的光催化性能表征结果

5.5.4玻璃弹簧负载P/TiO2薄膜的光催化性能表征结果

5.5.5溶胶的黏附性能表征结果

5.6 P/TiO2的实际应用探索

5.6.1 TOC测定仪测试P/TiO2薄膜光催化降解苯酚实验结果

5.7本章小结

论文工作总结

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文