CeO2·xH2O、CeO2@C的制备及其对染料去除性能研究

摘要

水资源是世界各地关注的焦点问题，但是由于工业化迅速发展导致越来越多的水被污染。中国是世界上最大的染料产出国，产出量占世界的70％以上，众多印染企业在生产制造过程中排放了大量的染料废水，它们对生物以及人类日常生活造成了诸多困扰。随着半导体光催化剂在环境领域中的广泛应用，研究者研发了一系列半导体催化剂，如TiO2、ZnO、CdS等。CeO2可表现出类似TiO2的催化性能:成本低、性质稳定，但对可见光具有潜在吸收性能，因而在光催化领域引起广泛关注。由于CeO2本身对可见光吸收有限，因而限制了其在光催化领域中的应用。为了增加CeO2对可见光吸收，促进可见光诱导的光生电子与空穴产率，提高光催化效率，研究者通常采用改良CeO2结构性能或制备复合物来提高其光催化性能。吸附是影响光催化的重要因素，居于此，本文通过改变合成实验条件及添加生物碳的方式，制备对染料具有较高吸附量的CeO2，并对其染料吸附与光催化降解性能进行了详细研究，具体研究内容如下:
　　1、以橘子皮为碳源合成具有高吸附及光催化性能的CeO2@BC材料
　　采用化学沉淀法，将经过碱处理过的橘子皮粉末(OPP)与Ce(NO3)3·6H2O，在碱性条件下复合，制备了OPP含量不同的CeO2·xH2O@OPP材料。研究表明，CeO2·xH2O@OPP对酸性橙7(AO7)表现出优异的吸附性能:5min可吸附90％的染料。随着OPP负载量增大，染料吸附量下降，可能原因是过多的OPP与材料表面羟基位点结合，导致与染料结合的活性位点数量下降。UV-Vis分析表明，煅烧后形成的CeO2@BC材料对可见光的吸收增大。光催化实验表明，负载0.1gOPP煅烧制得的CeO2@BC光催化活性最高，光照50min后，对0.2mmol/L的AO7降解率为97％;活性物种检测表明，O2·-和h+为CeO2@BC降解AO7的活性物种。
　　2、CeO2·xH2O的合成及其对染料吸附性能研究
　　采用化学沉淀法制备了一系列CeO2·xH2O吸附剂，考察了影响其吸附性能的相关因素:陈化温度、时间，反应体系pH值等。研究结果表明，当陈化温度过高、溶液pH较大、及陈化时间较长时，材料表面的NH4+、OH-含量下降，不利于材料对AR14的吸附;材料表面存在的氧空位对吸附起促进作用;CeO2·xH2O对AR14的最大吸附量为541.4mg/g。此外，研究还发现CeO2·xH2O对不同酸性染料的吸附效率存在差异，可能原因是由于染料分子中-SO3-的含量不同。
　　3、以染料为碳源制备CeO2@C及其光催化性能研究
　　以CeO2·xH2O为吸附剂，吸附不同浓度的染料，将吸附后的材料在600℃下煅烧形成CeO2@C材料。UV-Vis分析表明随着吸附染料浓度的提高，CeO2@C对可见光的吸收逐渐增强;XPS分析表明，CeO2@C表面的Ce3+含量先增后减。光催化实验表明，所制备CeO2@C的吸附及光催化效果均优于CeO2;CeO2@C的光催化活性与其表面Ce3+含量有关;碳量增加后，虽然可见光吸收提高，但当碳量增加至一定程度后，其光催化效率反而降低，可能原因是表面碳层厚度增加后，导致入射光大多数被碳层吸收，可供CeO2利用的光强度降低，因而光量子产率降低，所以催化效率降低;吸附0.2mmol/L AO7煅烧制得的CeO2@C-2对0.4mmol/L的AO7光催化20min后，降解率可达74.7％，高于相关材料的光催化效率。

目录

摘要

第一章文献综述

1．1引言

1．2染料的来源与治理

1．3染料污水的治理

1．3．1吸附法

1．3．2光催化技术

1．3．3光催化技术的改性

1．4二氧化铈及其复合物在环境领域的应用

1．4．1稀土化合物概述

1．4．2铈基氧化物概述

1．4．3 CeO2及其复合材料制备与应用

1．5本课题选题背景和主要内容

1．5．1选题背景

1．5．2研究内容

第二章实验材料与表征

2．1．2实验设备

2．2材料的制备

2．3材料的表征

2．3．3紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)

2．3．4傅立叶红外光谱仪(FT-IR)

2．3．5热重分析(TGA)

2．3．6扫描电子显微镜(SEM)

2．4材料的性能测试

2．4．1材料的吸附性能测试

2．4．2材料的光催化性能测试

第三章以橘子皮为碳源合成具有高吸附及光催化性能的CeO2@BC材料

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1橘子皮粉末(OPP)的制备

3．2．3 CeO2@BC的制备

3．2．4样品的表征

3．2．5吸附动力学实验

3．2．6光催化实验

3．3结果与讨论

3．3．2材料的紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)分析

3．3．3材料傅立叶红外光谱(FT-IR)分析

3．3．4材料拉曼光谱(Raman)分析

3．3．5吸附动力学

3．3．6材料光催化性能分析

3．3．7活性物种检测

3．4总结

第四章CeO2·xH2O的合成及其对染料吸附性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．2吸附实验

4．3结果与讨论

4．4总结

第五章以染料为碳源制备CeO2@C及其光催化性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．3光催化性能实验

5．3结果与讨论

5．3．3材料的组成及化学成分分析(XPS)

5．3．4材料傅立叶红外光谱(FT-IR)表征

5．3．5材料光催化性能分析

5．4总结

总结与展望

6．1研究的结果

6．2展望

参考文献

攻读学位期间获得的科研成果

致谢

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