贝壳基Ce3+-Bi3+-TiO2光催化剂催化降解海面油污研究

摘要

利用光催化反应降解油污是一种清洁、低成本的方法，TiO2稳定性好，无毒且成本低，是目前研究最为广泛的光催化剂。但TiO2光催化剂的禁带宽度较宽，只能吸收利用太阳光中极少量的紫外光部分进行光催化反应。为了使太阳光中占主要部分的可见光得到有效利用，本实验通过向TiO2光催化剂中掺杂Ce3+离子和Bi3+离子对TiO2光催化剂进行改性，扩展TiO2光催化剂的光谱响应范围，提高其对可见光的利用率。实验结果表明，在最佳条件下制备的贝壳基Ce3+-Bi3+-TiO2光催化剂对石油的15h降解率可达78.92％，实验结果较为理想。
　　本实验通过溶胶-凝胶浸渍法，向贝壳基载体上负载光催化剂。实验先考察了单独掺杂Ce3+离子对提高TiO2光催化剂降解油污效率的影响。通过对照实验，确定Ce3+离子最佳掺杂量为ω%=2.0%。最佳煅烧活化温度为500℃。在确定了Ce3+离子掺杂对TiO2光催化剂的改性效果后，进一步考察了Ce3+、Bi3+共掺杂对TiO2光催化剂的改性效果。在维持Ce3+离子的掺杂量为最佳掺杂量的基础上，通过对照实验确定Bi3+离子的最佳掺杂量为ω%=4.0%，最佳煅烧活化温度也是500℃，在最佳条件下贝壳基Ce3+-Bi3+-TiO2光催化剂对石油的15h降解率可达78.92%。
　　通过SEM、TG、XRD、UV-Vis表征进一步分析光催化剂。分析结果显示，掺杂Ce3+离子和Bi3+离子后，贝壳基TiO2光催化剂的表面结构、晶型、光谱响应范围等都发生改变，能够为实验结果提供合理的解释。Ce3+离子改性TiO2光催化剂的原因主要是：掺杂的Ce3+离子进入到TiO2光催化剂晶体中，使其晶格发生畸变，为了补偿畸变引起的能量变化，TiO2表面会失去部分氧原子，生成氧空位成为载流体的捕获阱，这有利于延长光生电子-空穴的复合时间，提高TiO2光催化的光催化降解效率。此外，掺杂Ce3+离子会在TiO2光催化剂中引入杂质能级，杂质能级位于TiO2的价带和导带之间，被激发的电子可以跃迁至杂质能级上，杂质能级上的电子也可以再次被激发跃迁到导带，这就相当于缩小了TiO2的禁带宽度，使激发TiO2光催化反应所需要的能量降低，激发光的波长向长波长方向移动，扩展了TiO2的光谱响应范围。向TiO2光催化剂中掺杂 Ce3+离子还可以改善TiO2光催化剂在贝壳基载体表面的附着情况，SEM结果显示掺杂了Ce3+离子的TiO2光催化剂在贝壳基载体表面能够紧密、均匀的分布，并且TiO2光催化剂的颗粒变小，大大增加TiO2光催化剂与油污的接触面积，有利于光催化降解反应的发生。根据XRD结果，掺杂Bi3+离子改性TiO2光催化剂的原因可能与掺杂Ce3+离子相同，但仍需进一步考察。同时掺杂Ce3+离子和Bi3+离子的TiO2光催化剂光吸收范围红移程度更大，对光的吸收率也更高，说明同时掺杂Ce3+离子和Bi3+离子能够比单独掺杂Ce3+离子取得更好的改性TiO2光催化剂的效果。

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前言

第1章 引言

1.1海面油污的处理方法

1.2 TiO2光催化机理

1.3 影响TiO2光催化活性的因素

1.4 可见光光催化材料

第2章 贝壳基-TiO2降解海面石油的考察方法

2.1 实验仪器及试剂

2.2 实验步骤

第3章 贝壳基-TiO2降解海面石油效率

3.1 Ce3+掺杂量对TiO2光催化降解效率的影响

3.2 Ce3+-TiO2光催化剂煅烧活化温度对降解效率的影响

3.3 Bi3+掺杂量对TiO2光催化降解效率的影响

3.4 Ce3+-Bi3+-TiO2光催化剂煅烧活化温度对降解效率的影响

3.5 Ce3+-TiO2光催化剂负载次数对降解效率的影响

3.6 Ce3+-TiO2光催化剂与Ce3+-Bi3+-TiO2光催化剂的比较

3.7 Ce3+-Bi3+-TiO2与Fe3+-TiO2光催化剂的比较

第4章 贝壳基TiO2的表征及分析

4.1 TiO2、Ce3+-TiO2及Ce3+-Bi3+-TiO2的SEM分析

4.2 TiO2、Ce3+-TiO2及Ce3+-Bi3+-TiO2的XRD分析

4.3 TiO2、Ce3+-TiO2及Ce3+-Bi3+-TiO2的UV-Vis分析

4.4 小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

个人简历