碳基Bi/Ti复合光催化剂的制备及其太阳光催化降解罗丹明B研究

摘要

近年来，光催化技术因其高效率、低成本、降解产物无污染等优点，受到了研究者的普遍关注。其中，制备高效可见光催化剂是光催化技术研究的重要方向之一。二氧化钛(TiO2)作为广泛使用的光催化剂-活性高、稳定性好、成本低。但其只能响应波长为387.5nm以下的紫外光，对太阳光中的可见光利用率较低。因此，对TiO2进行改性，提高可见光催化活性是当前研究的热点之一。
　　复合催化剂是一种有效的思路，利用半导体之间能级差别有效分离电荷，因而能够使其激发波长延伸至可见光区。铋系光催化剂(Bi2O3，BiOX-Cl、Br、I)因其具有独特的电子结构和能带结构，于可见光区存在明显的吸收，在光催化降解有机染料方面表现出优于其它类型半导体的催化降解性能。
　　同时，活性炭、沸石等因具有较高的比表面，能为催化剂提供丰富的反应位点，也被应用到光催化剂的改性。活性炭等在避免对催化剂自身过高要求的同时，亦可获得理想的光催化效果，宜于大规模应用。
　　因此，本文采用溶胶-凝胶法制备以碳为基质的Bi-TiO2复合光催化剂，通过控制煅烧温度保留不同的碳含量。采用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析(SEM)、透射电镜分析(TEM)、比表面积测试法(BET)和色谱散(EDS)等表征分析技术，分析催化剂的组成、形貌和结构。分析表明，该复合光催化剂的晶相主要为BiOCl，并含有少量的TiO2及Bi2O3。其中在573K和673K煅烧得到的催化剂保留了丰富的多孔无定形碳，比表面积较大;在更高的煅烧温度下，生成了新物相Bi2Ti2O7，而碳含量则急剧减少。
　　通过降解有机污染物罗丹明B研究复合催化剂的光催化活性。在模拟太阳光条件下光照1小时，剩余罗丹明B浓度由紫外-可见分光光度计(UV-Vis)检测。Bi/Ti-673 K表现出最高的光催化活性，罗丹明B去除率达到91％; Bi/Ti-573K次之，分解了大约56％罗丹明B。而两个温度得到的催化剂则降解了不到30％污染物。在自然太阳光条件下光照2.5小时，Bi/Ti-673 K也光解了99.15％罗丹明B。同时，循环利用实验证明该复合光催化剂具有良好的稳定性。
　　在粉末催化剂(Bi/Ti-673 K)存在的非均相体系中，罗丹明B的吸附符合表观二级动力学，而降解符合表观一级动力学，其动力学常数分别为0.04181g/(mg· min)和0.03093mg/(L· min)。光催化反应中的主要活性基团为活性氧基团和光生空穴。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 光催化原理

1．2．1 单一光催化剂

1．2．2 改性光催化剂

1．3 光催化剂改性及应用

1．3．1 光催化剂改性

1．3．3 光催化剂应用

1．4 国内外Bi／Ti复合催化剂研究现状

1．5 本文研究目的及主要内容

第二章 实验部分

2．1 实验试剂和仪器

2．2 Bi／Ti复合催化剂制备过程

2．2．1 制备方法

2．2．2 制备过程

2．3 表征分析手段

2．3．1 X-射线衍射分析(XRD)

2．3．2 比表面分析(BET)

2．3．2 扫描电镜分析(SEM)

2．3．4 透射电镜分析(TEM)

第三章 Bi／Xi复合催化剂表征分析

3．1 Bi／Ti复合催化剂物相分析

3．2 BET比表面分析及孔径分布

3．3 Bi／Ti复合催化剂形貌分析

3．3．1 SEN及EDS分析

3．3．2 TEM及电子衍射分析

3．4 Bi／Ti复合催化剂形成机理

第四章 Bi／Ti复合催化剂光催化活性研究

4．1 复合催化剂光催化活性研究

4．1．1 吸附平衡实验

4．1．2 氙灯模拟太阳光降解罗丹明B

4．1．3 自然太阳光降解罗丹明B

4．1．4 日光灯降解罗丹明B

4．1．5 复合催化剂重复使用率

4．1．6 673K复合催化剂吸附等温线

4．1．7 模拟阳光降解不同浓度罗丹明B

4．1．8 利用模型拟合吸附与光照降解

4．2 本章结论

第五章 光催化体系中活性物种

5．1 OH·自由基去除实验

5．2 活性氧基团去除实验

5．3 活性空穴去除实验

5．4 光催化中主要活性物种

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间研究成果汇总

致谢

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