钛酸锶光催化剂的制备及其在可见光下降解四环素的研究

摘要

钛酸锶(SrTiO3)具有成本低、制备条件简单、耐光腐蚀等优点，是光催化降解有机污染物、分解水制氢和光化学电池等领域广泛应用的材料。SrTiO3，禁带宽度约为3.2eV，可通过形貌控制、添加助催化剂，半导体复合等方法进行改性，增强材料的光催化性能。　　本文选用SrCO3作为助催化剂修饰SrTiO3，通过溶胶-凝胶以及原位热解合成了SrCO3-SrTiO3和纯相的SrTiO3，并对比探究了光催化剂的效果。为了进一步增强光催化性能，将SrTiO3、SrCO3-SrTiO3材料与Ag3PO4进行复合改性，合成了SrTiO3/Ag3PO4、SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4系列复合异质结材料。通过XRD、SEM、EDS、XPS、DRS、PL和Mott-Schottky等系统的表征材料的微观结构、形貌以及光学性能。本文采用盐酸四环素的降解来评估光催化材料的效果，并研究了材料的稳定性。本研究的主要内容包括：　　(1)合成了SrCO3-SrTiO3以及纯相的SrTiO3催化剂，其禁带宽度分别为3.0eV和3.2eV。SrTiO3在可见光下几乎没有活性。50mgSrCO3-SrTiO3添加到200mL的20mg/L的盐酸四环素中，在可见光下照射60min，降解效率为62%。循环实验显示SrCO3-SrTiO3性质很稳定。　　(2)Ag3PO4光催化剂的禁带宽度Eg为2.25eV。Ag3PO4催化剂在可见光30min照射下降解盐酸四环素的效率为60%。经过三次循环，Ag3PO4光催化剂的降解效率降低了28%，光腐蚀现象严重。　　(3)制备了SrTiO3/Ag3PO4异质结光催化剂，并提出了类Ⅱ型异质结光催化反应机理。DRS图谱显示禁带宽度Eg是2.1eV。XRD图谱显示制备的样品不含单质银相，在降解过程中生成了少量的银。·OH是主要活性自由基，不产生·O2-。SrTiO3/Ag3PO4催化剂在可见光30min照射下降解盐酸四环的效率为72.2%。经过三次循环，SrTiO3/Ag3PO4光催化剂的降解效率降低14.2%。　　(4)合成了SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4光催化剂，并提出了Z型异质结光催化反应机理。XRD图显示制备的样品不含单质银相，光反应初期会产生少量的Ag0作为氧化还原的介质，构成稳定的Z型异质结结构。DRS图显示光催化剂的禁带宽度是1.7eV。对比PL图谱发现，SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4样品的PL峰强度最弱，显示其光生电荷的分离效率最高。光降解过程中生成了e-、h+、·O2-和·OH等活性自由基，丰富的活性物种加快了光催化的进程。SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4催化剂在可见光30min照射下降解盐酸四环素的效率为85.9%。经过三次循环，SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4光催化剂的降解效率降低7.9%，保持基本稳定。　　本论文合成的系列具可见光活性的光催化剂，尤其是SrCO3-SrTiO3/Ag3PO4催化剂具有稳定的Z型异质结结构，具备高效的光催化降解能力，为钛酸锶光催化材料的应用推广提供了新的思路。

目录

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目 录

第1章 绪论

1.1 水体中有机物污染现状及处理技术

1.2 光催化技术的原理与应用

1.2.1 光催化技术的原理

1.2.2 光催化技术在环境领域的应用

1.3 钛酸锶光催化材料

1.3.1 钛酸锶光催化材料的研究现状

1.3.2 钛酸锶光催化材料的改性研究

1.3.3 钛酸锶光催化材料的制备方法

1.4 课题的选题依据及研究内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

第2章 材料和方法

2.1.1 实验试剂

2.1.2 实验仪器与设备

2.2 样品的表征

2.2.1 X 射线衍射分析 XRD

2.2.2 扫描电子显微镜分析 SEM

2.2.3 能谱分析 EDS

2.2.4 X 射线光电子能谱分析 XPS

2.2.5 紫外-可见漫反射分析 DRS

2.2.6 荧光光谱分析 PL

2.2.7 Mott-Schottky 测试

2.3 催化剂活性评价

2.3.1 光催化活性评价反应装置

2.3.2 光催化实验方法和评价方法

第3章 SC-ST 光催化剂的制备及性能研究

3.1 前言

3.2 催化剂的制备

(1) SC -ST 光催化剂的制备

(2) ST 光催化剂的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 表征分析

3.3.2 光催化性能评价

3.4 本章小结

第4章 钛酸锶基与磷酸银复合的光催化剂的制备及性能研究

4.1 前言

4.2 催化剂的制备

4.2.1 ST/APO 的制备

4.2.2 SC-ST/APO 的制备

4.2.3 APO 的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 表征分析

4.3.2 光催化性能评价

4.4 光催化机理分析

4.4.1 ST/APO 光催化机理分析

4.4.2 SC-ST/APO 光催化机理分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢