具有光、电催化活性的金属氧化物的制备及其在COD测定中的应用研究

摘要

随着环境污染的日益严重，环境部门对环境监测力度不断加大，其中监测设备的高科技化是现代化监测的标志。水质污染是环境污染的一大方面，污水能否达标排放由污水的污染指数决定，其中最重要的指标是污水的COD值。COD是指在一定条件下，水体中有机物或其他还原性物质被强氧化剂氧化所消耗的氧化剂所对应的氧的物质浓度。测定过程中有机物或其他还原性物质的氧化程度决定了测定COD结果的准确程度。具有光、电催化活性的金属氧化物在电或光激发下，能产生具有强氧化性的含氧自由基(如羟基自由基)等一类强氧化剂，可将水中污染物完全电催化或光催化降解为水和二氧化碳。利用此原理可望实现对有机污染物的快速、实时监测，为环境污染物的监测提供一种全新的理念和思路。 本论文制备并表征了一些具有光、电催化活性金属氧化物，探讨了金属氧化物的光、电催化氧化有机物的机理，提出了一种利用具有光、电催化活性氧化物对有机物进行光、电催化氧化降解，进而对水体化学需氧量进行测定的新方法。本方法主要是利用这些电极对水体中有机物进行光、电催化氧化，再通过测定反应前后反应体系中反应物(或生成物)浓度的变化，或者光、电催化氧化有机物过程中收集到的信号(如电流)来对水体中有机物的含量进行定量，从而对水体的化学需氧量进行准确地测定。所研究的方法具有灵敏度高、线性范围宽，单样分析时间短、操作简单和环境友好等特点，且与COD标准分析法比对具有好的相关性，能够实现对污水COD的快速检测，为水质分析提供了有效的手段。 第一章本部分对具有光、电催化性质的金属氧化物材料的发展，它门的光、电催化反应机理和在环境科学中的应用，以及COD测定方法研究现状等四个方面进行了阐述，对当前所研究领域的进展作了详细的概括和综述。 第二章分别采用循环伏安扫描的方法和激光煅烧结合溶胶-凝胶法制备了F-PbO2修饰电极和纳米TiO2膜。利用X-射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段对其进行了表征，结果发现：对于PbO2，F的掺杂能改变PbO2晶粒的晶格取向，还能改善膜的牢固性，细化晶体的大小；而对于TiO2，激光能量的增加可以使TiO2颗粒变小，能够促进无定形的TiO2晶化为锐钛矿型的TiO2。 第三章本章内容分为两部分，分别讨论了利用纳米F-PbO2修饰电极和纳米Ti/TiO2电极光、电催化氧化有机物的机理。在第一部分中，由于PbO2修饰电极的电催化氧化机理是水在电极表面分解产生氧化能力极强的含氧自由基，电极的催化氧化性能和电极表面催化吸附位点有关。而纳米F-PbO2修饰电极表面有更多的活性位点，能提高阳极水分解产生羟基自由基的速度，从而提高阳极氧转换反应的速率。所以纳米PbO2修饰电极可以作为分析传感器用于有机化合物的测定中。第二部分用Ti/TiO2电极对罗丹明B进行了光电催化降解，通过对不同条件下降解情况的对比研究表明，光电催化降解可以更加高效、完全氧化有机物。通过对激光煅烧和马孚炉烧结制得的Ti/TiO2电极光电催化降解罗丹明B过程的比较，结果表明，激光煅烧制得的电极的光电催化能力更强。 第四章本章分两部分，分别提出了利用具有电催化活性F-PbO2修饰电极和具有光催化活性的纳米TiO2膜(负载于石英玻璃管)检测COD的新方法，分别探讨了用这两种方法测定COD值的机理，并将这两种方法应用于实际水样COD值的分析。结果表明，这两种方法皆具有分析时间短，操作简单，环境友好，无需昂贵和有毒药品等优点。这两种方法与国家COD标准分析法的测定结果都具有好的相关性，应用于实际水样COD值的测定都能取得满意的结果。因此，这两种方法是有应用前景的测定COD值的新方法。

目录

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摘要

第一章 绪论

第二章 具有光、电催化活性的金属氧化物的制备及表征

第三章 具有光、电催化活性的金属氧化物催化氧化有机物的研究

第四章 具有光、电催化活性的金属氧化物催化氧化测定化学需氧量的应用研究

附录：硕士就读阶段科研成果

致谢