高活性水分散納米二氧化鈦制備、表征及光催化應用.pdf

1、納米TiO2光催化氧化技術可在常溫常壓下通過氧化還原反應將有機難降解污染物徹底氧化成H2O，CO2和無機鹽類。相比于目前常用的生物法和物化法等降解技術，光催化氧化技術因其所用納米TiO2具有氧化性強、耐酸堿性好、化學性質穩(wěn)定、對生物無毒、來源豐富等優(yōu)點在處理難降解有機物方面受到廣泛重視。然而，由于納米TiO2顆粒細微，在光催化過程中易失活、分散不均勻、易團聚、難以分離回收;以及銳鈦礦型TiO2是寬禁帶半導體，僅能響應短波長的紫外光，以太

2、陽光做光源時，在室外只能吸收太陽光中不到5％的紫外光部分，能源利用效率低，光催化的過程以人工紫外光為主，技術適應性差、成本高，在工業(yè)應用過程中受到很大限制。因此，提高納米TiO2的光催化活性、增強其在水溶液中的分散性和穩(wěn)定性、解決納米顆粒分離回收的問題并實現(xiàn)納米TiO2的高可見光催化活性是TiO2光催化氧化技術工業(yè)化應用過程中最具挑戰(zhàn)性的課題。本課題以高活性、高水分散納米TiO2光催化劑的設計、制備及結構與性能研究為基礎，以降解氮雜環(huán)化

3、合物喹啉的反應為應用平臺，研究了納米TiO2光催化劑的物化特性與其相應的光催化特性、喹啉光催化降解的途徑和方式。主要結果和結論如下:
　　(1)表面Zeta電位～40 mV，粒徑為9.8±0.6 nm的高水分散銳鈦礦型納米TiO2的低溫制備。以靜電位阻理論為指導，在促進鈦醇鹽水解的思路引導下，不添加表面活性劑在低溫(80℃)制備得到水分散良好的銳鈦礦型納米TiO2;采用透射電鏡(Transmission Electron Micr

4、oscope，TEM)，X-射線衍射儀(X-ray diffractometer, XRD)，X-射線光電子能譜(X-rayphotoelectron spectroscopy，XPS)，傅里葉紅外(Fourier Transform InfraredMicroscope，F(xiàn)TIR)和動態(tài)光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）等表征手段對其形貌、結構、表面特性及穩(wěn)定性進行分析，得知該納米TiO2的高水分散性源

5、于其表面形成的雙電層;通過對不同制備方法得到的納米TiO2結構及其水分散性的比較，發(fā)現(xiàn)不同制備方法得到的納米TiO2因其表面特性的差異最終導致水分散性的不同，進一步驗證了不添加表面活性劑低溫合成水分散納米TiO2顆粒的優(yōu)越性。
　　(2)粒徑5-30 nm水分散超順磁性納米Fe3O4顆粒的可控制備。采用高溫熱解羧酸鹽結合相轉移的方法及一步反向沉淀法成功制備了一系列水分散性好、形貌粒徑可控、表面官能團可調(diào)、化學性質和晶型穩(wěn)定的納米F

6、e3O4顆粒。其中一步反向沉淀法因其所用原料便宜易得、無污染，提供了一種環(huán)境友好型制備水分散性納米Fe3O4顆粒的方法。所制備的納米Fe3O4顆粒不僅在催化劑分離回收方面有重要作用，而且由于對納米Fe3O4顆粒表面官能團進行了可控合成，對其在核酸分析、臨床診斷、靶向藥物、酶固定化等方面的應用也具有極大的推動作用。
　　(3)可磁分離回收磁載納米TiO2光催化劑的低溫制備?；谝徊椒聪虺恋矸ㄖ苽涞玫降募{米Fe3O4顆粒，結合制備水分

7、散純納米TiO2的方法，以靜電位阻理論為指導，在低溫下制備得到可磁分離回收的磁載納米TiO2光催化劑。該法避免了傳統(tǒng)制備過程中熱處理帶來的顆粒長大、比表面積下降及團聚問題。制備過程中通過調(diào)節(jié)Fe3O4/TiO2摩爾比可實現(xiàn)對產(chǎn)物形貌、晶型、表面特性及磁性能的調(diào)控。
　　(4)可見光響應TiO2/氧化石墨烯復合光催化劑的低溫制備。采用改進的Hummers方法結合超聲波輔助制備得到氧化石墨烯，結合不添加表面活性劑制備水分散純納米TiO

8、2顆粒的方法，在低溫下制備了TiO2/氧化石墨烯復合光催化劑。氧化石墨烯的添加對TiO2的可見光化有很大影響。隨著氧化石墨烯含量的增加，TiO2/氧化石墨烯復合光催化劑的吸收邊帶發(fā)生明顯紅移，拓展了其可見光響應范圍。TiO2/氧化石墨烯復合光催化劑中Ti以Ti4+形式存在，且TiO2/氧化石墨烯復合物中氧化石墨烯和TiO2之間沒有形成Ti-C鍵。
　　(5)不同納米TiO2光催化劑光催化活性評價。以TiO2光催化降解氮雜環(huán)化合物喹

9、啉的反應為應用平臺，研究了所制備水分散純納米TiO2光催化劑、磁載TiO2光催化劑和可見光響應TiO2光催化劑的光催化活性與結構之間的關系。在水分散純納米TiO2光催化劑體系中發(fā)現(xiàn):制備方法的不同會導致催化劑物化性質的差異，進而影響納米TiO2光催化劑的活性;實驗發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，TiO2以O2為主要活性自由基物種光催化降解喹啉，而非通常認為的“有機物降解一般以·OH為主要自由基”。在磁載納米TiO2光催化劑體系中發(fā)現(xiàn):Fe3O4與T