杂多酸和氮掺杂氧化钛光催化降解水中有机污染物的研究

摘要

化学环境污染严重影响人类的生存和经济的可持续发展。因此,迫切需要开发高效、绿色和低成本的环保新技术。已有研究表明,光催化技术能利用太阳光和分子氧,在常温常压条件下,将有机污染物彻底矿化为CO2和相应的无机离子。与常规催化技术相比,光催化技术具有广阔的应用前景,是一种绿色的环境治理技术。但是,该技术仍未得到大规模工业化应用。因此,探索光催化机理、寻找高性能催化材料和提高光催化效率仍然是当前光催化领域的重要任务。 本论文以环境中难以降解的有机染料X3B、苯酚和致癌物Cr(VI)为目标污染物,研究了杂多酸(POM)和氮掺杂TiO2(N-TiO2)的光催化活性及其影响因素。论文共分为四章,第一章介绍了半导体光催化的基本原理和研究进展,重点放在N-TiO2的可见光光催化,第二章介绍了多酸化学和光催化研究的进展。 第三章研究了活化温度和氟离子对N-TiO2的紫外光和可见光活性的影响。通过XRD、XPS、固体紫外漫反射光谱和比表面积,研究了催化剂的晶体结构、掺杂N存在状态、光谱吸收等性质。通过苯酚的光催化降解和ESR技术,考察了催化剂的活性和反应过程中的活性物种。结果表明,掺入的N以O-Ti-N形式存在,提高了锐钛矿晶型的稳定性。在苯酚光催化降解过程中,N-TiO2均具有紫外光和可见光活性,活化温度影响很大,涉及-OH和超氧自由基。在悬浮液中加入氟离子,能够显著提高TiO2和N-TiO2在紫外区的光催化效率。 第四章是本文的重点。以H3PW12O40(PW)和H4SiW12O40(SiW)为POM催化剂,以波长大于320nm的高压氙灯为光源,研究了混合水溶液中X3B光致降解和Cr(Ⅵ)光致还原。结果表明,POM-X3B-Cr(Ⅵ)三元体系的反应效率高于POM-X3B和POM-Cr(Ⅵ)二元体系,PW的光活性高于SiW,且X3B光降解和Cr(Ⅵ)光还原之间存在明显的协同作用。通过考察各组分起始浓度以及N2、O2、H2O2和乙醇的影响,我们发现,激发态POM与H2O反应产生杂多蓝POM和羟基自由基·OH是反应的决速步骤。X3B降解和Cr(Ⅵ)还原主要分别通过·OH和POM进行,而X3B和Cr(Ⅵ)之间光化学反应的贡献较小。在二元和三元体系中POM浓度表现出不同的影响,表明激发态POM与H2O之间的反应具有可逆性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章半导体光催化概述

1.1研究背景

1.2氧化钛光催化概述

1.2.1氧化钛光催化原理

1.2.2影响TiO2光催化活性的因素

1.2.3提高TiO2光催化性能的方法

1.3氮掺杂氧化钛概述

1.3.1氮掺杂TiO2的结构

1.3.2氮掺杂的状态

1.3.3氮掺杂TiO2可见光光催化原理

参考文献

第二章杂多酸及光催化研究进展

2.1杂多酸光催化的发展历史

2.2杂多酸的结构与特性

2.2.1结构与分类

2.2.2杂多酸的结构表征

2.3杂多酸光催化机理

2.4影响杂多酸光催化氧化能力的因素

2.5杂多酸的固载化

2.5.1分子筛负载POM

2.5.2 TiO2负载POM

2.6杂多酸的光催化应用

2.7杂多酸光催化展望

2.8选题依据

参考文献

第三章N-TiO2光催化性能研究

3.1概述

3.2实验部分

3.2.1实验试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3 N-TiO2的制备

3.2.4苯酚光催化实验过程

3.3结果与讨论

3.3.1 XRD表征

3.3.2 BET表征

3.3.3固体紫外漫反射光谱

3.3.4 XPS表征

3.3.5 ESR测试

3.3.6 N-TiO2光催化降解苯酚

3.3.7产物分布

3.3.8 F-对N掺杂TiO2活性的影响

结论

参考文献

第四章活性染料X3B与六价铬离子在杂多酸上的光催化协同反应

4.1概述

4.2实验部分

4.2.1主要试剂

4.2.2实验仪器

4.2.3光化学实验及分析

4.3结果和讨论

4.3.1染料降解与六价铬还原

4.3.2 X3B、Cr(VI)和POM浓度的影响

4.3.3其他影响因素

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢