基于太陽能應用的二氧化鈦光催化研究.pdf

1、作為先進的高級氧化技術(shù)，納米二氧化鈦光催化在環(huán)境污染物的處理中獲得了廣泛的關(guān)注。將納米二氧化鈦光催化的激發(fā)光譜從紫外擴展到可見區(qū)，可充分利用清潔的太陽能資源，應用前景十分廣闊。本文采用多種方法制備了具有可見光催化活性的納米二氧化鈦催化劑，并開展了在太陽光或模擬太陽光下降解水或空氣中有機污染物的應用研究。具體內(nèi)容如下： 一、在溫和條件下(低于75℃，釩摻雜低于160℃)制備了三類具有可見光活性的納米二氧化鈦光催化材料，并通過正交實

2、驗確定了最佳的制備條件。 (1).金屬Gd、V摻雜TiO2光催化劑 采用低溫溶膠-凝膠法和水熱法分別合成了Gd-TiO2和V-TiO2光催化劑。避免了通常高溫(400℃以上)條件下金屬摻雜易導致的TiO2由銳鈦礦向金紅石相的轉(zhuǎn)變。 (2).非金屬N、F、B摻雜TiO2光催化劑 已報道的大多數(shù)非金屬摻雜。TiO2的相轉(zhuǎn)變溫度(銳鈦礦高溫時轉(zhuǎn)化為向金紅石相)在500-600℃左右，本文采用低溫溶膠-凝膠法和水

3、熱法制備了非金屬摻雜TiO2光催化劑，其相應的相轉(zhuǎn)變溫度約800℃，更有利于催化劑在高溫條件下使用。 (3).Bi2O3-TiO2復合光催化劑 采用可吸收可見光、在我國資源豐富的氧化鉍與TiO2復合，通過低溫溶膠-凝膠法在氧化鉍顆粒上原位合成了納米TiO2，得到了二元Bi2O3-TiO2復合光催化劑。該催化劑中，Bi2O3與TiO2間存在協(xié)同作用，復合催化劑的可見光催化活性比單一組分有明顯提高。 通過改性，所得到

4、的三類光催化劑有以下特點： (1)經(jīng)過改性的TiO2材料均保持銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，與純TiO2相比，表現(xiàn)出較高的結(jié)晶度、較小的晶粒尺寸和增大的表面積。同時改性后樣品的表面羥基數(shù)量都有增加，有助于提高其光催化活性。 (2)在可見光的照射下，所有改性材料都能被激發(fā)產(chǎn)生光催化活性，對X-3B及4-CP的降解速率比采用純TiO2和P25時提高了2.5至25倍左右。 二、在構(gòu)建利用太陽能的集成式光纖光催化反應系統(tǒng)中，成功地在彌散

5、光纖載體上負載了納米二氧化鈦催化劑，對系統(tǒng)的光催化性能進行了評價，演示了新型反應器在太陽能光催化應用中的潛在優(yōu)勢。實驗表明，新的反應器可通過光纖將室外采集的太陽光經(jīng)長距離傳輸至室內(nèi)進行光催化降解。 (1)以浸漬-提拉法實現(xiàn)了在集束光纖上(1500根)負載納米二氧化鈦。形成的薄膜厚度約為600 nm，表面比較平整，與光纖基底的結(jié)合緊密。 (2)在集成式光纖反應器中進行了太陽光催化降解實驗。以純TiO2為催化劑，光照8小時后

6、，4-氯苯酚的降解率達到了79％；采用F摻雜TiO2催化劑，X-3B的光催化降解率由純TiO2的68％提高到92％。 三、采用微米的Bi2O3或SiO2顆粒與納米TiO2材料，開發(fā)了在室內(nèi)自然光下即能表現(xiàn)超親水性的復合Bi2O3-TiO2膜和SiO2-TiO2膜。在此基礎上，研究了膜的超親水性對凈化空氣中甲醛污染物的影響，結(jié)果表明膜的超親水性可以提高空氣中污染物的降解效率。 (1)SiO2-TiO2超親水膜 在模

7、擬太陽光照射下，在所測試的濕度范圍內(nèi)(36-78％)均表現(xiàn)出比非超親水的普通TiO2膜更高的降解甲醛的能力，降解率提高了約8-20％。以室內(nèi)照明燈為激發(fā)光源，其催化活性只比普通TiO2膜略高一些。 (2)Bi2O3-TiO2超親水膜 在室內(nèi)自然光的激發(fā)下Bi2O3-TiO2膜能保持長時間的超親水性能。同時，由于Bi2O3與TiO2間的協(xié)同作用，無論在何種光源(紫外燈、模擬太陽光源、室內(nèi)照明燈)下，與普通TiO2膜相比，B