TiO2结构调控和表面修饰对VOCs光催化降解性能的研究

摘要

光催化氧化是一种用于去除室内挥发性有机污染物(VOCs)的极具前景的技术。二氧化钛(TiO2)因其成本低，高稳定性和优异的光催化能力而被广泛应用在清除气相污染物方面。然而考虑到TiO2光激发产生的电荷寿命较短和禁带宽度较宽(需要紫外光(UV)激发），导致其无法完全满足所需实际要求。已经研究和报道了许多对TiO2的改性方法，负载或掺杂不同的金属或者非金属，调控TiO2晶面（暴露活性位）以及与其他半导体复合。这些技术可以降低TiO2的电子-空穴复合率，增大TiO2的光吸收范围。但是针对VOCs的降解不仅需要提高电子-空穴的分离效率，还需要考虑到光催化剂对VOCs吸脱附的性能。因此我们主要的研究内容如下: (1)我们使用喷雾干燥法制备暴露{001}与{101}晶面片状TiO2，通过对前躯体烧结温度的调节得到了具有最佳活性的片状TiO2。我们使用不同的方法将Pd负载在TiO2的{101}晶面上。光还原法:TiO2在紫外光照射下产生的电子会富集在{101}晶面，这使得Pd金属离子会被{101}晶面上的电子还原并锚定在上面。光诱导法:制备的Pd(3-5nm)颗粒上带有显正电性的氨基，这会使得Pd颗粒与富集了电子的{101}晶面发生异性相吸。制备Pd颗粒就可以选择性的负载到{101}晶面上。通过对比两种制备方法，得到一种最优的Pd金属的负载方式。光诱导法使得Pd颗粒在负载过程中不再长大（因为颗粒尺寸在一开始已经固定），充分的利用了贵金属转移电子的能力，提高了电子，空穴分离效率。为未来的贵金属对载体的特定修饰提供了可行的思路。 (2)我们通过调节Ti-MOF(MIL-125)的焙烧方法，得到了碳负载的多孔结构TiO2。MOF在焙烧的过程中会将有机物转变成碳原位负载到孔道中多孔TiO2的过程中，碳可以原位生长在孔道内。并且碳在孔道内部的负载量呈现阶梯式，随着孔道加深，碳的负载量逐渐增多。这种负载方式更有利于对甲苯气体的吸附及扩散。将其与P25以及商业的TiO2（锐钛矿相）进行活性比较，发现其活性远远高于两者，并且具备良好的稳定性。 (3)以MOF作为模版，构建一个由C、Pd、TiO2组成的光催化剂。Ti-MOF经过氩气在700℃焙烧后表面会留有大量的碳，并且得到的多孔TiO2保持着Ti-MOF的宏观结构，其内部和表面残留大量的碳可以很好的吸附甲苯气体污染物。再将Pd颗粒负载到TiO2的孔道内，通过对比试验证明Pd负载到孔道内比在表面拥有更好的光催化降解甲苯的活性。这是因为Pd在表面不利于催化剂对甲苯的吸附，无法充分利用多孔氧化钛的内部孔道和碳对甲苯经行吸附。并且Pd在表面会堵塞孔道，不利于催化的进行。Pd颗粒在孔道内会增强金属和载体之间的接触，缩短电子传输距离。极大的促进催化反应的进行，为未来气相催化的材料设计提供了思路。

目录

摘要

1．1研究背景

1．2 VOCs污染控制技术

1．2．1分离法

1．2．2转化法

1．3光催化氧化的基本原理

1．4 VOCs光催化氧化中的问题

1．5影响光催化性能的因素

1．5．1相对湿度

1．5．2气流速度

1．5．3紫外光强度和类型

1．6光催化剂的改性

1．6．1金属掺杂氧化钛

1．6．2非金属掺杂氧化钛

1．6．3构建复合半导体

1．7选题意义以及研究内容

2．1试剂与药品

2．2催化材料表征手段

2．2．6紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis Diffuse Reflectance Spectrum)

2．2．10光电流测试

2．3光催化剂对甲苯的光催化氧化测试

2．4标准曲线

第三章Pd在片状TiO2上不同修饰方法对其降解甲苯活性的影响

3．1引言

3．2催化剂材料的制备

3．2．2光催化法制备Pd／TiO2

3．2．3制备Pd颗粒

3．2．4光诱导法制备Pd／TiO2

3．3结果与讨论

3．3．1对的样品进行表征

3．3．2制备的光催化剂对甲苯降解性能的研究

3．3．3样品对甲苯进行光催化降解的原理

3．4本章小结

第四章金属有机模板制备碳负载的多孔氧化钛对甲苯的降解研究

4．1引言

4．2催化剂材料的制备

4．2．1材料制备过程

4．3结果与讨论

4．3．1催化剂的结构与表征

4．3．2碳修饰的多孔TiO2对甲苯降解活性的探究

4．3．3碳修饰的多孔TiO2对甲苯降解活性的机理的探究

4．4本章小结

第五章Pd在多孔TiO2孔道内修饰对VOCs的降解的研究

5．1引言

5．2催化剂材料的制备

5．2．2 Pd／TiO2制备过程

5．3结果与讨论

5．3．1催化剂的结构与表征

3．2 Pd修饰的多孔氧化碳对甲苯降解活性的探究

5．3．3 Pd修饰在多孔TiO2孔道内对VOCs的降解机理

5．4本章小结

第六章结论与展望

参考文献

致谢

个人简历及研究成果

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