Ce-TiO2光催化剂的制备及其可见光光催化性能的研究

摘要

随着世界范围的工业化进程，全球环境恶化和能源短缺愈加严重，开发高效率、低能耗、适用范围广和环境友好型的降污排污技术受到了人们越来越高的重视。研究发现，半导体光催化技术，是一种治理环境污染和高效利用太阳能的有效途径，它所需要的反应条件温和，操作起来简单，没有二次污染。纳米TiO2是最常用的半导体光催化材料，其光催化效果好、价格低廉、安全、稳定性好。然则，TiO2光催化技术还是有量子效率低、光子利用率低的问题。为解决这些问题，可以对TiO2光催化剂进行改性。其中，稀土离子因其具有特殊的电子结构，将它们掺杂在催化剂表面是常用的一种改性方法。
　　在本论文中，我们利用刻蚀后的玻璃微珠作为载体，利用离子交换的方式在他们表面成功的沉积了纳米Ce-TiO2颗粒。之后利用扫描电子显微镜(SEM)、全自动比表面积和孔隙分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外可见漫反射光谱（UV-Vis）对Ce-TiO2表面形貌、微光结构和光学特性进行分析和表征。结果表明:利用刻蚀后的玻璃微珠作为载体增大了催化剂的比表面积，通过离子交换的方式获得的Ce-TiO2纳米颗粒粒径较小，约为4.8nm; TiO2表面掺杂铈元素后，其带隙能显著减小，增加了催化剂对可见光的吸收，有效阻碍了空穴—电子对的结合速度，使光催化性能增强。
　　我们选择具有代表性的甲基橙和罗丹明B溶液作为目标物，考察了Ce-TiO2催化剂分别对这两种染料的催化降解效果。研究发现，当掺杂的铈元素的原子量与钛元素的原子量比为1∶1时，制得的催化剂应用于降解甲基橙时结果较好。我们考察了Ce-TiO2的用量、反应时间和溶液pH值等对甲基橙和罗丹明B溶液光催化反应的影响。结果说明，催化剂投加量的增加致使降解效率也逐渐增大，至某一适量值，降解效率出现平稳或下降的现象;降解效率也随着时间的增长而逐步增长，并符合一级动力学方程，在30min左右得到最大的降解率;另外，该催化剂分别降解甲基橙和罗丹明B溶液的最佳pH值范围不同，甲基橙在偏酸性(pH值约为2～3)条件下，催化效果达到最好，罗丹明B在微酸性（pH值约为5～6）条件下，催化效果最好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2．1 半导体光催化技术研究内容及进展

1．2．2 半导体光催化氧化反应机理

1．2．3 影响光催化活性的因素

1．3 二氧化钛光催化剂

1．3．1 二氧化钛的结构及性质

1．3．2 二氧化钛的合成方法

1．3．3 二氧化钛的应用

1．4 本论文的研究意义和主要内容

第二章 实验部分

2．1 实验材料与仪器

2．1．2 主要实验仪器及装置

2．2 催化剂的表征方法简述

2．2．1 扫描电镜(SEM)

2．2．2 比表面积测定(BET)

2．2．3 X射线衍射谱(XRD)

2．2．4 透射电子显微镜(TEM)

2．2．6 紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)

2．2．7 电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP)

第三章 Ce-TiO2光催化剂的制备及表征

3．1 催化剂的制备方法

3．1．1 催化剂载体的制备

3．1．2 掺杂铈的二氧化钛催化剂的制备

3．2 催化剂的表征分析

3．2．1 SEM分析

3．2．2 BET分析

3．2．3 XRD分析

3．2．4 TEM分析

3．2．5 XPS分析

3．2．6 UV-Vis DRS分析

3．3 本章小结

第四章 纳米Ce-TiO2光催化降解甲基橙

4．1 前言

4．2 试验部分

4．2．1 实验过程及装置

4．2．2 实验分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 甲基橙标准曲线的绘制

4．3．2 铈掺杂量对催化剂降解率的影响

4．3．4 催化剂用量的影响

4．3．4 反应时间的影响

4．3．5 甲基橙溶液初始pH值的影响

4．4 小结

第五章 纳米Ce-TiO2光催化降解罗丹明B

5．1 前言

5．2 试验部分

5．2．1 实验过程及装置

5．2．2 实验分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 罗丹明B溶液标准曲线的绘制

5．3．2 催化剂用量的影响

5．3．3 反应时间的影响

5．3．4 罗丹明B溶液初始pH值的影响

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 存在的问题与展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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