氮掺杂二氧化钛的制备及降解活性红紫染料的研究

摘要

TiO2纳米材料具有良好的化学稳定性、低成本、无毒等特点成为最具应用潜力的光催化剂，但TiO2禁带宽度为3.2eV，需紫外光(λ≤387.5nm)激发其催化活性。目前研究表明采用非金属元素氮对TiO2进行掺杂改性，可有效拓展TiO2光谱响应范围，提高太阳光利用效率。
　　 本文采用溶胶凝胶法、水解沉淀法分别制备了SG、TN系列氮掺杂二氧化钛(N/TiO2)光催化剂，并通过H2O2改性水解沉淀前驱物，制各出TNH系列N/TiO2。由单因素分析和正交实验得出催化剂最佳制备条件，并以活性红紫染料为目标污染物，研究了不同系列N/TiO2在紫外光和太阳光下的催化活性，通过X-射线衍射(XRD)、元素分析(EA)、热重分析(TG)、红外光谱(FT-IR)及紫外-可见吸收光谱(UV-Vis DRS)等表征手段，探讨了N/TiO2光催化剂的表面结构及光吸收行为，光催化剂的作用机理及氮掺杂反应机制。
　　 通过表征分析发现三个系列的N/TiO2都实现了N掺杂，掺杂量最高达0.2％，且一定量的H2O2改性有利于N掺杂量的提高，经抽滤洗涤工艺处理也有利于N的掺杂。同时推断出TN系列光催化剂中N取代晶格O，形成替位掺杂;而TNH光催化剂有可能存在两种掺杂，一为N取代O，进入TiO2晶格，另一种为N+x与O结合形成Ti-O-N键的间隙掺杂。在DRS分析中H2O2改性催化剂对可见光的吸收率最高达80％，可见光吸收强度有了明显提高。
　　 同时实验结果表明经水解沉淀法和H2O2改性制备的N掺杂TiO2在紫外和太阳光下的均具有很高的光催化活性，部分样品紫外光催化活性与P25相当；太阳光下均高于P25;而以溶胶-凝胶法制备的样品，其脱色过程以吸附作用为主。
　　 本文研究了N/TiO2悬浮体系在紫外光下降解活性红紫的最佳反应条件和反应器中催化剂的分离回收率。H2O2改性样品比重较大、易于沉淀，可采用简单的沉淀和膜分离操作，使催化剂回收率达90％以上。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 TiO2光催化作用机理

1.3 TiO2光催化活性的主要影响因素

1.3.1 TiO2催化剂晶体结构的影响

1.3.2 TiO2催化剂反应环境的影响

1.4 TiO2光催化剂改性

1.4.1 金属离子掺杂

1.4.2 非金属离子掺杂

1.4.3 与N有关的一些共掺杂的研究

1.4.4 过氧化氢(H2O2)修饰改性

1.5 本论文研究的目的与内容

第二章 实验材料与方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 光催化试验装置

2.3 实验分析方法

2.3.1 活性红紫的结构与浓度检测曲线

2.3.2 紫外光催化试验

2.3.3 太阳光催化试验

2.3.4 空白试验

2.4 TiO2的表征方法

第三章 N/TiO2的制备和光催化活性研究

3.1 Sol-Gel（溶胶凝胶法）制备N/TiO2粉末

3.1.1 制备方法

3.1.2 实验结果

3.2 钛酸四丁酯水解沉淀制备N/TiO2粉末及其制备工艺优化

3.2.1 钛酸四丁酯水解沉淀法制备方法

3.2.2 最佳配比的确定

3.2.3 制备工艺优化

3.2.4 实验结果讨论

3.3 过氧化氢(H2O2)改性制备N/TiO2粉末

3.3.1 制备方法

3.3.2 正交试验设计及其试验结果

3.3.3 TNH系列N/TiO2光催化剂催化活性影响因素

3.4 N/TiO2光催化剂催化活性研究

3.5 本章小结

第四章 N/TiO2光催化剂的表征

4.1 X-射线衍射(XRD)分析

4.2 元素分析(EA)

4.3 热重分析(TG)

4.4 红外光谱(FT-IR)分析

4.5 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis DRS)分析

4.6 本章小结

第五章 N/TiO2光催化降解活性红紫影响因素的研究

5.1 试验材料与方法

5.2 活性红紫初始浓度的影响

5.3 反应体系pH值的影响

5.3.1 N/TiO2等电点的测定

5.3.2 反应系统pH值影响的研究

5.4 太阳光下N/TiO2光催化剂降解活性红紫的研究

5.4.1 太阳光下TN2与TNH光催化剂活性比较

5.4.2 反应器中光催化剂活性及其分离回收

5.5 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

6.2.1 针对本论文的研究提出的建议

6.2.2 针对N/TiO2光催化研究未来的发展的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利

致谢