發(fā)布時(shí)間：2020-11-05 12:44

　　 環(huán)境污染和能源短缺制約人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的腳步。尋求一種清潔、節(jié)能、高效的化學(xué)工藝成為現(xiàn)如今最迫切的需求。TiO_2光催化劑憑借其高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn),被人們認(rèn)定為是具有良好發(fā)展前景的環(huán)保類(lèi)光催化材料,但其最大的缺點(diǎn)在于TiO_2帶隙能量與太陽(yáng)光光譜之間的匹配度較少,其潛力和可持續(xù)技術(shù)尚未被完全開(kāi)發(fā)。本文基于上述原因,從內(nèi)部因素和外部條件兩個(gè)角度出發(fā),充分探究影響TiO_2光催化的主要因素,并通過(guò)摻雜不同磁導(dǎo)率離子合成復(fù)合催化劑,探究其在外加場(chǎng)——磁場(chǎng)條件下的光催化性能變化,具體工作如下:(1)基于正交試驗(yàn)的原則,針對(duì)催化劑粒徑尺寸、催化劑用量、溶液pH值和磁場(chǎng)強(qiáng)度大小這4個(gè)影響因素分別設(shè)置3個(gè)水平程度,構(gòu)成9組條件不同的光催化實(shí)驗(yàn)。三種不同粒徑大小的TiO_2樣品均主要為銳鈦礦結(jié)構(gòu),其比表面積隨著粒徑增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),形貌規(guī)則度也有所下降。選取紫外光照60 min時(shí)的降解數(shù)據(jù)進(jìn)行光催化分析,通過(guò)直觀(guān)計(jì)算和方差分析計(jì)算可以得出4個(gè)因素的重要性排序?yàn)?粒徑尺寸最為重要,磁場(chǎng)強(qiáng)度和催化劑用量較為重要,而pH值的影響則最小。所以,結(jié)合兩者得出最佳的實(shí)驗(yàn)組合為:25 nm的TiO_2 150 mg,pH=7,磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 T。(2)使用粒徑尺寸25 nm的TiO_2為載體,通過(guò)浸漬法制備不同摻雜比例的復(fù)合催化劑,并標(biāo)記為0.5%、1.0%、2.0%、5.0%M/TiO_2(M=La~(3+);Ni~(2+);Cu~(2+))。通過(guò)表征發(fā)現(xiàn),摻雜離子對(duì)應(yīng)的氧化物在TiO_2樣品的表面呈現(xiàn)高度分散狀態(tài),其高摻雜濃度下的實(shí)際摻雜比例與理論摻雜值基本保持一致。此外,3個(gè)摻雜系列對(duì)應(yīng)的催化劑比表面積均小于摻雜前,吸脫附等溫線(xiàn)的類(lèi)型為IV型,滯后環(huán)為H3,表現(xiàn)為粒子堆積形成的狹縫孔。同時(shí)由于摻雜離子磁導(dǎo)率的不同,所形成復(fù)合催化劑在磁場(chǎng)作用下的光催化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。(3)將3個(gè)系列樣品在0.2 T條件下進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn),鑭摻雜和鎳摻雜中最佳摻雜比例樣品(1.0%La~(3+)/TiO_2;0.5%Ni~(2+)/TiO_2)的光催化效果均小于純TiO_2的光催化效果,而最佳摻雜比的銅摻雜樣品(0.5%Cu~(2+)/TiO_2)則基本與純TiO_2的光催化效率保持一致。總體來(lái)說(shuō),3個(gè)最佳摻雜比例樣品在磁場(chǎng)條件下的光催化活性都強(qiáng)于未添加磁場(chǎng)時(shí)的光催化活性,但改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度從0.05 T至0.3 T變化,1.0%La~(3+)/TiO_2的光催化性能呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律,在0.2 T時(shí)具有最大一級(jí)動(dòng)力學(xué)常數(shù);0.5%Ni~(2+)/TiO_2的光催化性能一直降低,光催化性能最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.05 T;0.5%Cu~(2+)/TiO_2的光催化規(guī)律與1.0%La~(3+)/TiO_2相一致,但銅摻雜樣品在0.3 T下的光催化性能提高幅度優(yōu)于鑭摻雜樣品的情況。
【學(xué)位單位】：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O643.32;O644.1
【部分圖文】：

在全球范圍內(nèi)，人們生活環(huán)境受到了一定的污染和破壞，而清潔和自然能源則相對(duì)缺乏。這兩大最嚴(yán)重的問(wèn)題使得人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的腳步受到了一定程度的制約[1-6]。一方面，世界人口數(shù)量持續(xù)增加，工業(yè)化發(fā)展加速，導(dǎo)致了能源消耗的增大；另一方面，工業(yè)廢水、廢氣排放量并未得到降低，它們進(jìn)入空氣和水路，造成嚴(yán)重的污染，全球變暖嚴(yán)重，氣候變化異常。所以尋求一種清潔、節(jié)能、高效的化學(xué)工藝成為現(xiàn)如今最迫切的需求。半導(dǎo)體光催化技術(shù)，主張利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能的有效轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存，提供了一種綠色、環(huán)保的消除有毒有害污染物的方式，成為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的重要手段之一。所以，在最近的十幾年間，有關(guān)光催化方方面面的探究工作發(fā)展十分迅速：從理論上來(lái)看，已經(jīng)基本了解光催化的基礎(chǔ)原理，并在一定程度可以對(duì)光催化活性進(jìn)行調(diào)控；從日常應(yīng)用上來(lái)看，諸多基于半導(dǎo)體光催化技術(shù)的產(chǎn)品也走向了市場(chǎng)，進(jìn)入到了人們生活的方方面面。其中，TiO2光催化劑憑借其高的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被人們認(rèn)定為是具有良好發(fā)展前景的環(huán)保類(lèi)光催化材料，在污染治理方面應(yīng)用頗廣。而其他具體應(yīng)用也如圖 1.1 所示。

圖 1. 2 半導(dǎo)體的光催化反應(yīng)過(guò)程示意[20,21]響光催化活性的因素粒徑尺寸關(guān)文獻(xiàn)證明，半導(dǎo)體的顆粒大小對(duì)光催化劑的活性存在一定的影響況下，半導(dǎo)體納米粒子表現(xiàn)出的光催化活性要遠(yuǎn)大于普通粒子的作來(lái)說(shuō)，原因有以下三點(diǎn)：第一，納米粒子呈現(xiàn)出所謂的“量子尺寸徑尺寸的減少，半導(dǎo)體會(huì)發(fā)生一定的改變，即更正的價(jià)帶電位和更，由此在實(shí)驗(yàn)時(shí)，電子-空穴對(duì)的氧化還原能力也得以提高；第二比表面積通常較大，在暗反應(yīng)階段對(duì)物質(zhì)的吸附變強(qiáng)，同時(shí)這個(gè)特表面的氧空穴數(shù)量增多，進(jìn)一步增加了反應(yīng)的活性位點(diǎn)；第三，由的厚度一般會(huì)比粒子的粒徑大，所以進(jìn)行光催化反應(yīng)時(shí)可以忽略空影響因素的存在，光生載流子也容易從粒子內(nèi)部擴(kuò)散到表面發(fā)生氧例如，當(dāng) TiO粒徑尺寸只有 10 nm 時(shí)，電子從樣品內(nèi)部擴(kuò)散到表

中國(guó)計(jì)量大學(xué)碩士學(xué)位論文率增加。Sood 等人[59]利用簡(jiǎn)單的水熱法合成了高效的光催化劑 Bi2O3/TiO2，并通過(guò)研究氧氟沙星水溶液（25 mg/L，pH = 7）的降解來(lái)評(píng)價(jià)，當(dāng) Bi2O3含量為1%，5%，10%時(shí)，添加 0.5 g/L 的催化劑，2h 內(nèi)能分別能降解 50.9%，60%，92.4%的氧氟沙星，遠(yuǎn)大于純 TiO2時(shí)的 32.5%。另外，對(duì) 10% Bi2O3/TiO2催化劑進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，將每次實(shí)驗(yàn)后的催化劑收集、洗滌、過(guò)濾，然后在 80℃下干燥過(guò)夜，連續(xù)三個(gè)循環(huán)后所獲得的降解率仍能保持 78.4%，74%和 73.1%。Wang 等人[60]成功制備出了納米纖維 TiO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑，其 DRS 測(cè)試顯示樣品在紫外和可見(jiàn)光下呈現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收，而光電化學(xué)實(shí)驗(yàn)也證明了電子和空穴的復(fù)合受到了抑制，因此利用制備的催化劑對(duì) 50 mL 10 mg/L 的羅丹明 B 進(jìn)行降解，當(dāng) TiO2含量增加到 29.30 wt%時(shí)，TiO2/g-C3N4具有最佳的光催化降解效率，同時(shí)回收樣品進(jìn)行 4 次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，降解率仍能達(dá)到 96%。Yan 等人[61]通過(guò)水熱法在 TiO2納米管陣列表面成功地合成了 SrTiO3/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并利用氫化處理進(jìn)一步優(yōu)化異構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過(guò)光電化學(xué)測(cè)試，最好的光電流密度能達(dá)到 0.48 mA/cm2。
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2871653