纳米TiO2/粉煤灰微珠复合光催化剂的制备及性能优化研究

摘要

纳米TiO2由于其良好的化学稳定性和紫外光照射下高效的光催化活性,被广泛的应用有机污染物治理、工业生活废水处理、空气净化、自清洁抑菌等领域,是目前最具前景的光催化材料。但纳米TiO2在工业应用中还有一些不足,例如在液相体系中降解时,易发生团聚影响光催化效率,降解结束后,对纳米粉体的回收也很困难。另外,由于纳米TiO2是宽禁带半导体,只能响应波长低于387nm的紫外光,而自然界太阳光中紫外光所占比例不到5％,极大限制了纳米TiO2在工业上的大范围应用。因此,本研究重点在于制备分散性好、易回收的纳米TiO2光催化剂,同时,对纳米TiO2进行掺杂改性及水热生长研究,使其光吸收及光响应范围进一步改善,从而提高其光催化性能。
　　本研究以TiCl4为Ti前驱体,尿素(NH2)2CO为缓释剂,粉煤灰微珠为载体材料,采用水解-沉淀法在粉煤灰微珠表面沉积纳米TiO2颗粒,制备了纳米TiO2/粉煤灰微珠复合光催化剂,分析了光催化性能的影响因素,如催化剂添加量、光源强度等。再以尿素(NH2)2CO和硫脲(NH2)2SC分别为N、S源,按一定比例与纳米TiO2/粉煤灰微珠复合材料混合,在500℃焙烧2h,制得N-S-TiO2/FAB复合光催化剂,初步分析了掺杂后N、S在样品中的存在状态,以及掺杂机理。最后以KOH为矿化剂,将已经制备的纳米TiO2/粉煤灰微珠复合材料水热反应,使其进一步生长,综合分析KOH浓度和水热时间等参数对其形貌的影响,并检测样品光催化性能。实验中采用XRD、SEM、EDS、XPS、UV-vis漫反射、TEM对样品进行表征。
　　研究结果表明:采用水解-沉淀法,在样品表面沉积的TiO2颗粒层均匀完整致密,厚度为1μm~2μm,物相为锐钛矿和金红石混晶相,随着煅烧温度提高,锐钛矿相向金红石相转变,500℃煅烧2h的样品光催化活性最好,在300W紫外光下照射45min对甲基橙的降解率可达到99%。N、S掺杂后XPS分析表明,N主要以间隙形式掺入,形成O-N-Ti键,而S分别以S2-取代O和S6+取代Ti,且S2-取代O为主要掺杂形式,通过UV-Vis漫反射光谱分析,样品的吸收边从390nm明显蓝移至500nm。在可见光辐照(250W金卤灯、紫外光滤光片)下,N-S-TiO2/FAB降解甲基橙溶液的降解率高达82.48%,同样条件下,未掺杂样品无明显可见光响应,降解率不到10%。在水热生长过程中,KOH浓度、清洗方式与水热时间对产物形貌影响较大,KOH浓度为7mol/L,水热时间72h,使用0.1mol/L的HCl漂洗10min为最佳水热参数,产物表面形貌为多层管状结构。在水热过程中纳米TiO2颗粒首先形成片层状K2TiO3,通过离子交换及表面效应蜷曲,经过煅烧后形成一维纳米TiO2/FAB复合光催化剂,光催化结果表明:在300紫外汞灯照射1h对甲基橙降解率为36%,改用piranha溶液为对微珠进行预处理,能够减少KOH与微珠的反应,制备出的样品在相同条件下40min可达到99%的降解率。

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第一章 绪论

1.1 TiO2概述

1.2 纳米 TiO2粉体的制备及在光催化领域的优势与不足

1.3 纳米 TiO2的可见光响应研究

1.4 本课题的研究目的、意义和主要内容

第二章 实验部分

2.1 实验工艺流程

2.2 实验原料与仪器设备

2.3 样品表征与检测

2.4 样品的光催化性能检测及效果评价

第三章 负载型纳米TiO2/粉煤灰微珠复合材料的制备和光催化性能

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 N、S共掺TiO2/粉煤灰微珠复合材料的制备与可见光光催化性能

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 水热法合成一维纳米TiO2/粉煤灰微珠复合材料及生长机理

5.1 样品的制备

5.2结果与讨论

5.3 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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