新型二氧化钛可见光催化剂制备、表征及应用

摘要

随着水污染环境问题的日渐严重，保护水环境成为了全球倡导的事情。光催化降解污染物也成了国际上所研究的热门技术之一。该技术因其环保高效，无二次污染等特点被广大研究人员和社会环保领域的工作者所关注。在已有的光催化材料中，TiO2因具有光催化活性高、化学稳定性好、价格低廉等特点而受到广泛研究人员和社会环保领域的工作者的青睐。但TiO2具有较大的禁带宽度(Eg约为3.2 eV)，只能对占太阳光总能量的4％～6％的紫外光(～365 nm)产生响应，对可见光利用率极低，此外，粉末光催化剂还存在回收困难等问题。
　　基于以上因素，本课题以TiO2为基体，对其进行Ag掺杂改性，减小其禁带宽度，使其能够在可见光下进行光催化降解，扩大其实际应用范围。研究的主要内容如下:
　　(1)以硝酸银为银源，聚吡咯为中间模板，纳米TiO2为基体，采用化学氧化聚合法制备了聚吡咯-纳米银掺杂二氧化钛(PPy-Ag/TiO2)，然后经马弗炉高温焙烧，去除PPy模板，得到粒径约为40nm的Ag/TiO2粒子。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线粉末衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)，紫外可见漫反射(UV-Visible DRS)，热重分析(TG)等研究催化剂的物相结构、微观形貌及光学性能。结果发现Ag/TiO2的禁带宽度为2.95eV，PPy-Ag/TiO2的禁带宽度为3.06 eV，与TiO2相比均有所减小。光催化性能测试结果表明，经500℃高温焙烧后，所得Ag/TiO2在可见光辐照3h后，Ag/TiO2对亚甲基蓝的移除率可达99％，对罗丹明B的移除率在75％左右。而且，所制备的Ag/TiO2在可见光下可降解稳定的油水乳液，5h后，油滴粒径明显变小，乳液颜色由乳白色逐渐变为无色，移除率达80％以上，可实现对水包油乳液的无害化处理。
　　(2)采用浸渍涂覆制备纤维光催化剂及用小样织布机织成织物，解决粉末催化剂难以回收的问题。将二甲基亚砜与无水乙醇按照体积比为80∶20(v∶v)混合，然后将Ag/TiO2粒子分散到混合溶剂中，得到一定固含量的Ag/TiO2分散液，采用浸渍涂覆法，将聚丙烯腈纤维以0.5 m/s的速度通过制得的Ag/TiO2分散液后，进入水中固化成形，洗涤干燥。得到纤维光催化剂，最后将纤维光催化剂用小样织机织成织物。通过FESEM、FTIR和TG测试分析，表明Ag/TiO2粒子已经成功涂覆在PAN纤维的表面，其负载量约为14.2％，织物的自清洁效果良好。光催化性能测试结果表明，纤维光催化剂在可见光辐照3h后，对亚甲基蓝的移除率约为50％，经连续循环使用5次后，移除率仍达48％以上，说明粒子在纤维表面附着牢固，持久耐用。
　　(3)经过前期实验，发现粒子直接负载到基体上，对基体结构造成了伤害，基于此原因，以硅酸四乙酯为硅源，采用溶胶-凝胶法制备SiO2@void@Ag/TiO2复合多孔中空纳米微球光催化剂，以保护基体，同时采用XRD、FTIR、UV-VisDRS、TG和光催化降解罗丹明B对其结构和光催化性能进行研究。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 背景介绍

1．2 TiO2的光催化机理

1．3 TiO2改性方法

1．3．1 直接改性

1．3．2 间接改性

1．4 负载方式

1．5 Yolk-shell材料简介

1．6 课题的提出

1．6．1 研究目的和意义

1．6．2 研究内容

第二章 理论基础

2．1 多孔结构材料的吸附理论

2．2 半导体禁带宽度

2．3 TiO2表面贵金属掺杂理论

2．4 共分散溶液溶胀涂覆理论

第三章 Ag掺杂纳米TiO2制备及性能

3．1 实验部分

3．1．1 原料及仪器

3．1．2 催化剂制备

3．1．3 水包油乳液的制备

3．1．4 催化剂结构与性能表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 不同Ag含量对催化效率的影响

3．2．2 结构分析

3．2．3 形貌分析

3．2．4 热力学性能

3．2．5 光学性能

3．3 本章小结

第四章 Ag／TiO2纤维光催化剂制备及性能

4．1 实验

4．1．1 原料及仪器

4．1．2 样品制备

4．2 表征

4．2．1 纤维结构与性能表征

4．2．2 织物结构与性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 纤维结构与性能

4．3．2 力学性能

4．3．3 织物结构与性能

4．4 本章小结

第五章 SiO2@void@Ag／TiO2复合多孔中空纳米微球光催化剂制备及性能

5．1 实验

5．1．1 原料及仪器

5．1．2 样品制备

5．1．3 固定化试验

5．1．4 光催化反应

5．2 表征

5．2．1 形貌观察

5．2．2 X射线粉末衍射

5．2．3 红外光谱分析

5．2．4 热分析

5．2．5 紫外-可见漫反射吸收光谱

5．3 结果与讨论

5．3．1 硅酸四乙酯(TEOS)用量的影响

5．3．2 不同PPy厚度影响

5．3．3 不同PEG含量

5．3．4 形貌

5．3．5 结构分析

5．3．6 热分析

5．3．7 紫外-可见漫反射光谱

5．3．8 光催化试验

5．3．9 固定化实验结果

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参加科研情况

致谢