改性TiO2合成和基于功能化离子液体的玫瑰球状BiOBr制备、调变及其光催化性能的研究

摘要

自1972年二氧化钛光解水现象发现以来，半导体光催化领域得到了广泛的关注和飞速的发展，这一技术为我们提供了一种理想的环境治理和能源利用的方法。目前，发达国家已尝试利用光催化技术解决日益严峻的水资源、空气、土壤等环境问题。但是，目前以半导体TiO2为主要催化剂的光催化技术还存在着诸如太阳能利用率低，量子产率低以及分离回收困难等诸多问题，使其工业应用受到极大限制，因此，进行新型光催化材料的探索以及改变以TiO2为主的催化剂的性能从而提高其效率的工作迫在眉睫。
　　溴氧化铋具有可见光下催化性能好、经济成本低、无毒等优点，引起了科研人员的关注，同时，BiOBr以其独特的结构从而被广泛应用于光催化技术中。本文在离子液体中制备了系列BiOBr催化剂、硝酸蒸汽处理碳纳米管负载BiOBr催化剂、稀土元素掺杂BiOBr催化剂以及合成了改性TiO2，利用XRD、SEM、HRTEM、DRS、PL、EPR、EIS等表征手段对BiOBr催化剂以及改性的BiOBr催化剂进行表征，考察了其在甲基橙染料废水中的光催化性能，初步探讨了催化剂光催化降解甲基橙的机理。主要内容如下:
　　(1)考察了离子液中合成的BiOBr催化剂的光催化降解甲基橙的性能。结果表明，离子液体链长、离子液体阴离子种类都会对BiOBr合成有较大的影响。经过比较，BiOBr催化剂制备的最佳参数为:以溴化1-丁基-三甲基咪唑为溶剂和模板剂，Bi∶Br摩尔比为2∶3，水热160℃下反应8h，得到的BiOBr可在4小时内使甲基橙脱色率达94％。而不同离子液体链长引起BiOBr结构上的变化，这可能导致(011)晶面含量的不同，进而导致影响氧空位的浓度而使其光催化效果呈规律性变化:随着离子液体链长的增加，(011)晶面比例不断增大，氧空位浓度下降，光催化效果依次下降。
　　(2)通过添加稀土元素对BiOBr进行改性。在合成BiOBr的过程中加入稀土离子，以20mg/L甲基橙为目标污染物，通过研究其光催化性能发现，随着稀土元素掺杂量的增加，对BiOBr的光催化活性的影响呈现先降低后上升的趋势，而镧掺杂的BiOBr表现出逐步降低的效果。这可能跟稀土元素独特的4f轨道以及轨道上的电子活动有关。
　　(3)通过添加碳纳米管对BiOBr进行改性。将被硝酸蒸汽处理过的碳纳米管负载到BiOBr上，通过研究其性能发现，温度、时间、不同离子液体链长对其合成均有影响。经过比较，BiOBr催化剂制备的最佳参数为:以溴化1-十六烷基-3-甲基咪唑为溶剂和模板剂，在水热反应釜中160℃下反应16小时。将得到的BiOBr催化剂，在300W氙灯下对甲基橙照射，其脱色率可达95％。
　　(4)利用碳纳米管及杂多酸对TiO2复合改性。在合成TiO2的过程中添加磷钨酸以及碳纳米管，通过研究改性TiO2光催化性能发现，最佳复合量为0.025g碳纳米管/0.03mol TiO2、磷钨酸与二氧化钛摩尔比为0.08，复合催化剂在2.5h内可使甲基橙的脱色率达到93.7％，大于纯TiO2的64.9％和MCNTs/TiO2的83.7％。
　　(5)利用有机大分子物质对TiO2复合改性。改性后的复合材料具有可见光光催化活性，通过研究发现，复合材料在6小时内可降解60％以上的甲基橙。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光催化技术概述

1．2 光催化原理

1．3 BiOBr光催化剂

1．3．1 可见光催化剂的发展背景

1．3．2 BiOBr催化剂的结构

1．3．3 BiOBr催化剂的制备与改性

1．3．4 BiOBr光催化的机理

1．4 离子液体

1．4．1 离子液体的结构和性质

1．4．2 离子液体在无机材料合成中的应用

1．5 染料废水的来源、特征和危害

1．5．1 染料废水在环境中的污染

1．5．2 处理染料废水的方法

1．5．3 光催化技术处理染料废水

1．6 本研究的目的、意义与内容

第二章 离子液体辅助合成BiOBr及光催化性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 催化剂的制备

2．2．3 光催化反应实验

2．2．4 催化剂表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 催化剂表征结果

2．3．2 光催化降解染料废水甲基橙实验

2．3．3 实验结果讨论

2．4 本章小结

第三章 稀土元素掺杂BiOBr的制备及光催化性能的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 催化剂制备

3．2．3 光催化反应实验

3．2．4 稀土掺杂催化剂光催化反应机理探究实验

3．2．5 催化剂表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 催化剂表征结果

3．3．2 实验结果讨论

3．4 本章小结

第四章 硝酸蒸汽处理碳纳米管负载BiOBr的制备及光催化性能的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 催化剂制备

4．2．3 光催化反应实验

4．2．4 催化剂表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 催化剂表征结果

4．3．2 反应时间对催化剂的影响

4．3．3 反应温度对催化剂的影响

4．3．4 不同离子液体链长对催化剂的影响

4．4 本章小结

第五章 碳纳米管负载TiO2及磷钨酸、碳纳米管共负载TiO2的制备及光催化性能的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂与仪器

5．2．2 催化剂的制备

5．2．3 光催化反应实验

5．3 结果与讨论

5．3．1 碳纳米管负载的TiO2以及碳纳米管光催化降解甲基橙

5．3．2 磷钨酸的负载量对光催化降解甲基橙的影响

5．3．3 催化剂的剂量对光催化降解甲基橙的影响

5．4 结论

第六章 有机大分子物质耦合TiO2的可见光增强效应

6．1 绪论

6．2 实验部分

6．2．1 试剂与仪器

6．2．2 催化剂的合成

6．2．3 光催化反应实验

6．2．4 催化剂表征

6．3 结果与讨论

6．3．1 催化剂表征结果

6．3．2 光催化降解甲基橙实验结果讨论

6．4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况