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高活性纳米TiO_2的合成、表征及可见光催化性能研究

作　者: 唐培松
导　师: 王民权
学　校: 浙江大学
专　业: 材料学
关键词: 纳米TiO2 光催化剂 合成与表征 高温水解溶剂热 可见光催化 热处理 稳定性
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


在全球性环境污染和能源危机日趋严重的今天,如何有效利用太阳能来治理污染已引起世界各国的广泛重视。具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化剂的制备与应用,已成为材料学、化学和环境科学等领域广泛关注和研究的热点课题。 本文首先简要介绍了半导体光催化的基本原理,在总结和评述了提高半导体光催化总量子效率和太阳能利用率的各种方法及其研究进展和面临的主要问题,以及半导体纳米TiO2湿化学制备方法的优缺点和发展前景等的基础上,采用钛醇盐高温水解溶剂热法成功合成了一系列高可见光催化活性的纳米TiO2催化剂,研究了合成温度、溶剂组成以及热处理对纳米TiO2物性和光催化活性的影响规律,分析了纳米TiO2可见光催化降解目标物甲基橙（MO）和对氯苯酚（4-CP）的机理与动力学,探讨了纳米TiO2光催化剂可见光催化活性的起因及其稳定性,取得了一系列重要结论和具有实用意义的成果,为实现利用太阳能光催化降解有机污染物提供了理论和实验依据。 研究了一种合成高活性、热稳定纳米TiO2的钛醇盐（Titanium n-butoxide TNB）高温水解溶剂热法。它是基于在蒸压条件下,钛醇盐与来自气相溶入有机溶剂中的水发生高温水解-缩聚和溶解-结晶过程而合成锐钛矿型纳米TiO2。在165-270℃温度范围和不同极性的有机溶剂（丙酮、乙醇、吡啶溶剂以及乙醇-丙酮-吡啶混合溶剂）中,成功合成了低团聚、晶粒尺寸小（9.3-11.7nm）、高比表面积（117-150m2/g）和高可见光（λ≥450nm）催化活性及热稳定的单相纳米锐钛矿。确认了合成温度、溶剂组成及H2O:TNB（mol）比是影响合成产物晶型、晶粒尺寸、比表面积和可见光催化活性的关键工艺参数。对所研究的溶剂体系,最适宜合成条件为240℃/6h。在混合溶剂中合成的C-240试样,在可见光照60min时,对20mg/L甲基橙溶液的降解率（>90%）是德国Degussa P-25的9倍。经800℃煅烧后,仍保持单相锐钛矿晶型;600℃煅烧前后的比表面积为129m2/g和69m2/g,分别比P-25二氧化钛约高3和1.5倍,兼具有很好的表面活性和热稳定性。 综合运用超声脱附和DTA-TGA、UV-Vis、FT-IR及GC-MS研究表明,采用钛醇盐高温水解溶剂热法合成的纳米TiO2表面除吸附有水和残留溶剂外,尚可能吸附有在蒸压合成条件下形成的芳香族类化合

全文目录


第一章 绪言  13-15
  1．1 研究背景  13
  1．2 问题的提出  13-14
  1．3 本文的工作  14-15
第二章 文献综述  15-42
  2．1 引言  15
  2．2 半导体光催化的机理  15-17
  2．3 半导体光催化量子效率的提高途径  17-20
    2．3．1 半导体表面沉积贵金属  17-18
    2．3．2 过渡金属离子掺杂  18-19
    2．3．3 半导体复合  19
    2．3．4 非金属离子掺杂  19-20
  2．4 半导体可见光催化的实现方法  20-29
    2．4．1 染料光敏化催化  20-21
    2．4．2 阳离子掺杂或阴离子掺杂  21-25
    2．4．3 半导体复合与新型窄带隙半导体开发  25-29
  2．5 纳米TiO_2催化剂的制备  29-33
    2．5．1 溶胶-凝胶法和沉淀法  29-30
    2．5．2 水热法  30-32
    2．5．3 钛醇盐高温水解法  32-33
  2．6 可见光催化面临的问题和研究展望  33-35
  参考文献  35-42
第三章 实验方法  42-52
  3．1 实验方法和依据  42-43
  3．2 样品的制备  43
    3．2．1 主要原料  43
    3．2．2 不同合成温度下样品的制备  43
    3．2．3 不同溶剂体系样品的制备  43
  3．3 材料的组成、结构与性能表征  43-45
    3．3．1 透射电子显微镜(TEM)  43-44
    3．3．2 X射线衍射(XRD)  44
    3．3．3 紫外-可见光谱(UV-Vis)  44
    3．3．4 热分析(DTA-TGA)  44
    3．3．5 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)  44
    3．3．6 角分辨光电子能谱(APES)  44
    3．3．7 漫反射谱(DRS)  44-45
    3．3．8 比表面积和孔径测定(BET)  45
    3．3．9 总有机碳(TOC)测定  45
    3．3．10 气相色谱-质谱(GC-MS)  45
  3．4 光催化活性的测试与表征方法  45-51
    3．4．1 光催化实验反应装置与灯源发光谱  45-48
    3．4．2 甲基橙和对氯苯酚的标准曲线  48-50
    3．4．3 光催化实验方法与步骤  50-51
  参考文献  51-52
第四章 高可见光催化活性纳米TiO_2的合成与结构、性能表征研究  52-80
  4．1 引言  52
  4．2 高活性、高热稳定性纳米TiO_2催化剂的合成  52-57
    4．2．1 钛醇盐高温水解溶剂热合成方法  52-53
    4．2．2 合成工艺  53-56
    4．2．3 合成产物的热分析  56-57
  4．3 纳米TiO_2的物性表征  57-59
    4．3．1 结构、形貌及相组成  57-59
    4．3．2 比表面积与孔结构  59
    4．3．3 可见光吸收与光电导  59
  4．4 纳米TiO_2的热稳定性  59-65
  4．5 纳米TiO_2的可见光催化活性表征  65-68
    4．5．1 可见光催化降解甲基橙  65-66
    4．5．2 可见光催化降解对氯苯酚  66-68
  4．6 合成温度对纳米TiO_2催化剂结构、性能的影响  68-74
    4．6．1 合成温度对TiO_2物相、形貌和比表面积的影响  68-70
    4．6．2 不同温度合成TiO_2的DTA曲线分析  70-71
    4．6．3 合成温度对TiO_2可见光催化活性的影响  71-74
  4．7 溶剂组成对合成纳米TiO_2催化剂结构、性能的影响  74-78
    4．7．1 溶剂组成对TiO_2物性的影响  74-76
    4．7．2 溶剂组成对TiO_2可见光催化活性的影响  76-78
  4．8 本章小结  78-79
  参考文献  79-80
第五章 热处理对纳米TiO_2结构、表面状态及可见光催化性能影响的研究  80-112
  5．1 引言  80
  5．2 实验  80-81
  5．3 表面吸附物对纳米TiO_2光催化性能的影响与调控  81-86
    5．3．1 TiO_2试样的表面吸附状态  81-82
    5．3．2 超声处理对TiO_2可见光催化性能的影响  82-86
  5．4 热处理对纳米TiO_2光催化降解性能的影响  86-95
    5．4．1 热处理对TiO_2可见光催化性能的影响  86-92
    5．4．2 热处理对TiO_2紫外-可见光催化性能的影响  92-95
  5．5 热处理对纳米TiO_2物性的影响及可见光催化活性起因  95-100
    5．5．1 热处理对TiO_2物性的影响  95-97
    5．5．2 可见光催化活性的起因  97-100
  5．6 纳米TiO_2光催化降解对氯苯酚机理及动力学研究  100-109
    5．6．1 A-240／180可见光催化降解对氯苯酚的动力学  101-105
    5．6．2 可见光催化降解对氯苯酚的机理  105-107
    5．6．3 A-240／180紫外-可见光催化降解对氯苯酚  107-109
  5．7 本章小结  109-111
  参考文献  111-112
第六章 溶剂组成对合成纳米TiO_2可见光催化性能影响的研究  112-143
  6．1 引言  112
  6．2 实验  112-113
  6．3 溶剂组成对合成纳米TiO_2紫外-可见光催化活性的影响  113-115
  6．4 不同溶剂体系合成纳米TiO_2的DTA-TGA曲线分析  115-116
  6．5 溶剂组成对TiO_2热处理试样可见光催化活性的影响  116-122
  6．6 不同溶剂体系合成TiO_2可见光催化降解甲基橙的机理  122-134
    6．6．1 C-240／180试样对甲基橙的可见光降解过程  123-129
    6．6．2 A-240／180试样对甲基橙的可见光降解过程  129-131
    6．6．3 E-240／180试样对甲基橙的可见光降解过程  131-134
  6．7 不同溶剂体系合成TiO_2可见光催化降解甲基橙动力学  134-139
    6．7．1 应用UV-Vis谱研究TiO_2可见光催化降解动力学  134-137
    6．7．2 应用TOC测定方法研究TiO_2可见光催化矿化动力学  137-139
  6．8 溶剂组成对TiO_2热处理试样紫外-可见光催化活性的影响  139-141
  6．9 本章小结  141-142
  参考文献  142-143
第七章 纳米TiO_2光催化活性稳定性及其可见光催化活性起因探讨  143-164
  7．1 引言  143
  7．2 纳米TiO_2光催化活性的耐候稳定性研究  143-149
    7．2．1 实验  143-144
    7．2．2 纳米TiO_2可见光催化活性的耐候稳定性  144-146
    7．2．3 纳米TiO_2紫外-可见光催化活性的耐候稳定性  146-149
  7．3 纳米TiO_2循环使用稳定性研究  149-151
  7．4 纳米TiO_2紫外-可见光催化活性的热稳定性研究  151-152
  7．5 关于纳米TiO_2可见光催化活性起因探讨  152-162
    7．5．1 不同波段光照射下纳米TiO_2的可见光催化活性  152-158
    7．5．2 纳米TiO_2表面吸附物的表征  158-162
  7．6 本章小结  162
  参考文献  162-164
第八章 结论  164-168
致谢  168-169
攻读博士学位期间发表及提交的论文  169-170

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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