可見光響應(yīng)TiO-,2-與TiO-,2--活性炭復(fù)合材料的合成及表征.pdf

1、本論文以TiCl<,4>為鈦源，采用酸催化水解法合成了納米TiO<,2>；通過N、S摻雜改性制得了可見光響應(yīng)催化劑TON、Ti<,2-x>-S<,y>O<,2>；以AC為載體合成了高活性、長壽命、高效率的TiO<,2>/AC復(fù)合光催化劑；以可見光催化劑的可見光響應(yīng)機制和TiO<,2>/AC復(fù)合光催化劑的活性炭與TiO<,2>之間的協(xié)同作用機制為理論基礎(chǔ)，制得了AC負載N摻雜可見光埔應(yīng)光催化功能材料TON/AC；采用DRS、SEM、XRD

2、、XPS、FTIR、低溫氮物理吸附技術(shù)表征催化劑微觀形貌、晶相結(jié)構(gòu)、界面特征、光譜特征和孔徑結(jié)構(gòu)；并在此基礎(chǔ)上，初步進行了吸附．光催化雙功能炭吸附材料的合成探索。具體內(nèi)容如下： 在NH<,3>/N<,2>氣氛下程序升溫處理TiO<,2>前驅(qū)體，制得N摻雜TiO<,2>可見光響應(yīng)光催化劑(TON)。研究表明，摻雜N后銳鈦礦TiO<,2>可見光催化活性顯著提高，在500℃焙燒5h制得的催化劑在可見光區(qū)及紫外光區(qū)均表現(xiàn)出最高的光催化活

3、性。N摻雜對TiO<,2>的晶粒大小、比表面積和晶相結(jié)構(gòu)影響不大。適量N摻雜可在TiO<,2>表面形成Ti-O-N鍵，形成新的能級結(jié)構(gòu)，使催化劑的吸收帶邊紅移至490～550 nm；同時該結(jié)構(gòu)亦可有效提高TiO<,2>的紫外光催化活性。 以硫脲為硫源，制得淺黃色S摻雜Ti<,1-x>S<,y>O<,2>光催化劑。研究表明，摻雜S以S<'6+>形式置換TiO<,2>晶格中的Zi<'4+>，適量的S摻雜Ti<,1-x>S<,y>O<

4、,2>在可見光區(qū)、紫外光區(qū)及太陽光下均表現(xiàn)出較高光催化活性。摻雜S在TiO<,2>表面形成新的能級結(jié)構(gòu)，使催化劑吸收紅移至450～550nm，誘發(fā)可見光催化活性；紫外光照射下，新形成的能級結(jié)構(gòu)與體相TiO<,2>形成復(fù)合半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，捕獲光生空穴，提高光生電子一空穴分離效率。同時，S摻雜可以改善TiO<,2>的分散性，增加其比表面積并提高相轉(zhuǎn)變溫度。 在多孔活性炭(Ac)表面合成TiO<,2>/xAC復(fù)合光催化劑。研究表明：適宜A

5、C含量的TiO<,2>/AC(AC，5 wt％)具有較高的光催化活性，可多次循環(huán)使用不致失活，在較寬溶液pH范圍內(nèi)都保持較高的活性，而且催化劑容易從液相中分離。適宜的AC摻雜可以使TiO<,2>粒子分布均勻，減小粒子凝聚，但對TiO<,2>的晶相結(jié)構(gòu)、晶粒大小以及表面性質(zhì)影響不大，對TiO<,2>能閾結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。TiO<,2>與AC結(jié)合牢固，接觸界面處有Ti-O-C鍵生成。TiO<,2>/5AC表現(xiàn)出高光催化活性的主要原因是：AC所

6、提供的適宜高濃度環(huán)境及對納米尺寸TiO<,2>團聚的有效抑制。TiO<,2>/5AC的高活性、不易失活、易分離以及活性受pH變化影響較小的特性，使其在實際廢水處理方面具有潛在應(yīng)用價值。另外，還系統(tǒng)研究了AC修飾對TiO<,2>形態(tài)結(jié)構(gòu)及光催化活性的影響。研究表明，AC可抑制TiO<,2>晶粒生長，減緩TiO<,2>粒子間團聚，提高銳鈦礦相向金紅石相轉(zhuǎn)變溫度，減緩相轉(zhuǎn)化速度。 以不同種類/性質(zhì)的活性炭為載體，合成了TiO<,2>/

7、AC復(fù)合光催化劑，系統(tǒng)研究了活性炭種類/性質(zhì)對TiO<,2>/AC復(fù)合光催化劑催化活性的影響。研究表明，AC的微孔及表面含氧官能團不利于催化劑的分散。較多數(shù)量的中孔及較少的表面含氧官能團可以大大提高TiO<,2>/AC(n)復(fù)合光催化劑的光催化活性。AC表面含氧官能團對催化還原金屬離子的影響要大于對催化氧化有機化合物的影響。AC性質(zhì)對TiO<,2>的晶相結(jié)構(gòu)、晶粒大小以及能閾結(jié)構(gòu)影響不大。以非金屬離子摻雜后可見光催化劑的可見光響應(yīng)機制和

8、TiO<,2>/AC復(fù)合光催化劑的活性炭與TiO<,2>之間的協(xié)同作用機制為理論基礎(chǔ)。合成AC負載N摻雜寬光域響應(yīng)TiO<,2-><,x>N<,y>/AC光催化劑。研究表明，適量N摻雜的TON/AC在紫外光區(qū)、可見光區(qū)及太陽光下均表現(xiàn)出較高的活性。N摻雜在TiO<,2>表面生成Ti-O-N鍵，形成新的能級結(jié)構(gòu)，使催化劑的吸收紅移至450～550 nm，誘發(fā)TiO<,2>可見光催化活性。AC負載可降低TiO<,2>團聚體的尺寸，增加催化劑

9、比表面積，為光催化降解提供高濃度環(huán)境，從而提高光催化效率；同時AC負載還可改善催化劑分離性能，提高催化劑使用壽命。 以TiO<,2>/AC復(fù)合光催化劑的C/TiO<,2>之間的協(xié)同作用機制為理論基礎(chǔ)。合成了吸附-光催化雙功能材料(xTiO<,2>/AC)。實驗表明，吸附．光催化雙功能材料，在暗吸附條件下，AC的平衡吸附量有所降低；但在光照條件下，AC的平衡吸附量明顯提高，且延長了達到飽和時間，宏觀上表現(xiàn)為提高了吸附量，實際則為T