改性纳米二氧化钛光催化剂的光电化学行为及新型COD测定方法的研究

摘要

随着人类社会经济的高速发展，世界环境污染也越来越严重，环境问题不仅制约着人类经济社会的发展而且还严重威胁着人类的生存。世界各国政府也开始意识到环境与人类生存和发展的密切联系，越来越重视对环境的治理和保护。在环境污染中，水环境污染十分突出，因此水环境研究是环境研究的重要课题之一，受到广泛的重视。污水能否达到排放标准由污水的污染指数决定，其中最重要的指标之一是污水的化学需氧量(COD)值，COD可作为衡量水体有机物相当含量的指标，对于污水的治理及水体的质量评价有着重要意义。测定COD的标准方法主要有重铬酸钾氧化法(CODcr)和高锰酸钾指数法(CODMn)，但这些方法存在分析时间长、操作过程繁琐、测定准确度差、存在二次污染等缺点，因此寻找一种快速、准确、对环境友好，并能提高现有方法灵敏度的新方法十分必要。 20世纪80年代以来，纳米半导体材料越来越受到人们的关注，尤其是TiO2，被誉为当前最具应用潜力的一种光催化剂。其在光或电的激发下，可使表面吸附的羟基或水氧化成具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)，可将水中多种有机污染物彻底矿化去除，可以将光能直接转换为化学能来驱动化学反应的进行，而且无二次污染。因此，TiO2光催化氧化在各种有机污染物和还原性无机污染物，特别是生物体难降解的有毒有害物质的去除方面表现出独特的性质，被认为是一种极其具有前途的环境污染深度净化技术。但是TiO2仍存在许多的局限性，比如：其光生电子和光生空穴容易复合，光催化效率低；带隙较宽(约3.2eV)只能在紫外区显示光化学活性，对太阳能的利用率小于10％，这些限制了其在环境分析中的应用。于是研究者们研究出了许多的方法来对TiO2进行改性，比如：贵金属沉积、复合半导体、离子掺杂、有机染料光敏化等，从而增加它的光吸收波长范围，降低半导体载流子的复合率，使其载光催化方面真正走向实际应用。 本论文制备并表征了一系列新型的纳米TiO2光催化剂，探讨了它们的光电催化氧化有机物的机理和行为，还研制了一种用毛细管阵列新型光催化反应器来测定COD值的新方法。第一章 绪论 本部分从新型纳米二氧化钛光催化材料的制备、应用、进展和化学需氧量的检测现状与发展等方面作了综述。 第二章 TiO2纳米管阵列电极降解含氮染料的光电催化行为研究 采用电化学阳极氧化法制备TiO2纳米管电极，并用于光电催化降解含氮染料甲基橙，给出了该电极线性扫描光电响应图谱，还对该电极的光电催化和光催化行为进行了估测和比较，探讨了一系列的优化条件如阳极电压，煅烧温度，甲基橙浓度对电极催化效率的影响。 第三章 嵌有ZnO纳米棒高序排列的TiO2纳米管电极的制备及其光电催化降解含氮染料 本章制备了ZnO纳米棒/TiO2纳米管电极，并用其光电催化降解含氮染料。给出了该新型电极的线性扫描伏安图，它的光电流比光的没有嵌有ZnO棒的TiO2纳米管电极的光电流有明显增加，得出结论：ZnO纳米棒的嵌入修饰能提高TiO2 NTs的光电催化效果。 第四章 光电催化合成Au/TiO2纳米复合材料及其光电催化运用 我们第一次用光电催化法制备了嵌有Au纳米颗粒的TiO2 NTs,该新型电极具有更好的光催化和光电催化性能。与光催沉积方法相比，光电催化沉积法更有效，而且更容易控制。在阳极氧化过程中TiO2纳米管的管的直径可以控制，很容易得到不同大小的金纳米颗粒。得出结论：光电催化沉积法是一种在光催化材料上沉积重金属的通用的好方法，电化学方法在制备纳米材料上很有前景。 第五章 毛细管阵列光催化反应器的研制。 本文根据纳米半导体光催化原理，开发研制了一种新型的毛细管阵列光催化反应器，并被成功应用于水体中化学需氧量的测定。纳米TiO2薄膜被均匀的修饰在毛细管内壁，反应液在毛细管内与纳米半导体光催化材料充分接触。该反应器有光催化效率高、催化剂稳定性好、无催化剂的流失、成本低廉、能实现在室温下对水体中化学需氧量的测定等优点。

目录

声明

摘 要

第一章绪论

§1.1纳米二氧化钛光催化材料的制备、其光催化活性的影响因素、改性

§1.2化学需氧量检测的现状及进展

§1.3本论文的工作及意义

参考文献

第二章TiO2纳米管阵列电极降解含氮染料的光电催化行为研究

§2.1前言

§2.2实验部分

§2.3结果和讨论

§2.4结论

参考文献

第三章嵌有ZnO纳米棒的高序排列TiO2纳米管阵列电极的制备及其光电催化降解含氮染料的行为研究

§3.1前言

§3.2实验部分

§3.3结果和讨论

§3.4结论

参考文献：

第四章光电催化法制备嵌入Au纳米颗粒的高序排列的TiO2纳米管电极及其光电催化运用

§4.1前言

§4.2实验过程

§4.3结果和讨论

§4.4结论

参考文献

第五章毛细管阵列光催化反应器的研制

§5.1前言

§5.2实验部分

§5.3结果和讨论

§5.4结论

参考文献

附件 硕士期间科研成果

致谢