表面修饰TiO2对选择性吸附协同光催化还原Cr(Ⅵ)性能的研究

摘要

近年来随着经济和社会的发展，环境污染日趋严峻。在影响人类健康的环境污染中，重金属离子污染是环境污染的重点之一。在众多重金属离子污染中，Cr(Ⅵ)污染尤为严重。光催化技术是一种环境友好和具有广阔应用前景的绿色水处理方法，其优点是反应条件温和、易操作，能直接利用太阳光。但光催化还原治理重金属离子水污染的研究相对进展缓慢，原因在于光催化剂相比于传统的吸附剂比表面积较小，光生载流子易复合，导致光催化还原重金属离子的速率相对缓慢，特别是低浓度重金属离子废水;并且重金属离子还原后的产物不易脱附，易造成光催化剂失活。
　　本文旨在发展吸附-光催化-脱附协同技术去除废水中的Cr(Ⅵ)。选择高稳定、廉价、无毒的TiO2为光催化剂，利用高比表面积多孔单晶TiO2，并进行组成修饰和纳米结构裁剪（包括掺杂或复合、表面缺陷位控制、表面组成调变等），增强对光的利用率并减少电子-空穴复合，提高光催化效率。针对处理重金属废水的特点，着力解决以下三个关键问题:(1)通过吸附废水中低浓度Cr(Ⅵ)，不仅可以快速去除水中Cr(Ⅵ)，而且重金属离子的富集可以促进其后续的光催化还原速率;(2)通过表面化学性质调变，使光催化还原后的产物Cr(Ⅲ)能够快速脱附，避免光催化剂中毒;(3)探索光催化剂对重金属离子的吸脱附机理和光催化还原机理及其相互协同作用，并讨论光催化剂的构效关系（包括TiO2的修饰与复合剂、表面性质等）。
　　本文针对以上目标，针对性的设计了几种的光催化材料，主要分为以下三个部分:
　　(1)表面修饰羟基修饰的介孔单晶TiO2对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究
　　采用溶剂热法制得高比表面积的多孔单晶TiO2，成功在其表面修饰上羟基，采用XRD，TEM，BET，XPS等手段对催化剂材料进行了表征。并测试了其对Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)混合溶液的吸附及其光催化还原Cr(Ⅵ)性能。结果表明，所制备的表面修饰羟基锐钛矿相多孔单晶TiO2光催化剂材料具有较高的比表面积（约153 m2/g)，修饰之后的多孔单晶同时也具有比未修饰的多孔单晶TiO2更高的对Cr(Ⅵ)选择性吸附性能和光催化还原Cr(Ⅵ)速率。
　　(2)对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究
　　采用三钛源体系一步合成Ti3+掺杂的TiO2光催化剂，在酸性条件下自身带正电，深入研究选择吸附Cr(Ⅵ)离子，并促进光催化作用。通过溶剂热法制得极小比表面积的Ti3+/TiO2，排除焙烧时比表面积受到的影响，从而保证吸附及还原过程只与其三价钛含量有关。实验结果证明，三价钛含量越多，表面正电荷越多，其对六价铬的选择性吸附越高，促进了光催化还原Cr(Ⅵ)过程。
　　(3)单层石墨烯复合纳米颗粒TiO2对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究
　　采用溶剂热法制得尺寸较小的纳米颗粒TiO2，并且成功将其与单层石墨烯复合，均匀负载在石墨烯上，提高接触位点，有利于光生电子转移。由实验结果证明，石墨烯的存在有效提高了对Cr(Ⅵ)的选择性吸附，同时提高了其光催化还原速率。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 TiO2的光催化原理

1．3 TiO2光催化在环境方面的应用及存在的问题

1．3．1 TiO2光催化在环境方面的应用

1．3．2 TiO2光催化在环境处理方面存在的问题

1．4 环境中对重金属离子去除的研究现状

1．4．1 光催化法去除环境中重金属离子

1．4．2 吸附法去除环境中重金属离子

1．5 选题意义及研究内容

第二章 实验试剂与试验方法

2．1 试剂与药品

2．2 催化材料表征手段

2．2．1 X射线衍射仪(XRD)

2．2．2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)

2．2．4 N2等温吸附-脱附线分析仪(BET)

2．2．5 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．6 紫外-可见漫反射光谱(UV-VisDiffuse ReflectanceSpectrum)

2．2．7 Zeta电位分析仪(Zeta potential)

2．2．8 红外光谱仪(FT-IR)

2．3 光催化剂对Cr(Ⅵ)离子和Cr(Ⅲ)离子溶液的吸附活性测试

2．3．1 光催化剂对Cr(Ⅵ)离子的吸附活性测试

2．3．2 光催化剂对Cr(Ⅲ)离子的吸附活性测试

2．4 光催化剂对Cr(Ⅵ)离子和Cr(Ⅲ)离子混合溶液的吸附活性测试

2．5 混合溶液中Cr(Ⅵ)离子和Cr(Ⅲ)离子的含量测定

2．5．1 DPCI显色法测得Cr(Ⅵ)标准曲线

2．5．2 混合溶液中Cr(Ⅵ)的检测

2．5．3 混合溶液中Cr(Ⅲ)的检测

2．6 光催化剂对Cr(Ⅵ)的光催化还原活性测试

第三章 表面修饰羟基的介孔单晶TiO2对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究

3．1 引言

3．2 催化剂材料的制备

3．2．1 MS样品制备过程

3．2．2 MS-OH样品制备过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 MS和MS-OH(1)样品的结构表征

3．3．2 表面修饰羟基的介孔单晶TiO2对铬离子溶液的吸附及其还原性能的研究

3．3．3 表面羟基修饰介孔单晶TiO2的吸附及其还原机理的研究

3．4 本章小结

第四章 Ti3+／TiO2对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究

4．1 引言

4．2 催化剂材料的制备

4．2．1 样品制备过程

4．2．2 不同Ti3+含量的样品制备过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 Ti3+／TiO2光催化剂的结构表征

4．3．2 Ti3+／TiO2光催化剂的混合吸附及其还原性能的研究

4．3．3 Ti3+／TiO2光催化剂的吸附及其还原机理的研究

4．4 本章小结

第五章 单层石墨烯复合纳米颗粒TiO2对Cr(Ⅵ)的选择性吸附协同光催化还原性能的研究

5．1 引言

5．2 催化剂材料的制备

5．2．1 纳米颗粒TiO2的制备过程

5．2．1 单层石墨烯复合纳米颗粒TiO2的制备过程

5．3 结果与讨论

5．3．1 石墨烯复合纳米颗粒TiO2光催化剂的结构表征

5．3．2 石墨烯复合纳米颗粒TiO2光催化剂的混合吸附及其还原性能的研究

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历及研究成果

声明