系列二氧化鈦基納米粉體的合成與催化性能研究.pdf

1、本論文對納米半導(dǎo)體光催化氧化進(jìn)行了概述，對納米TiO<,2>光催化材料研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了綜述。針對納米TiO<,2>光催化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的太陽光利用率低以及難以回收利用、光催化氧化技術(shù)運(yùn)行成本偏高等問題，采用溶膠技術(shù)合成了非負(fù)載型及負(fù)載型系列TiO<,2>基納米粉體，并對粉體進(jìn)行了過渡金屬及稀土摻雜改性，在此基礎(chǔ)上對系列TiO<,2>基納米粉體的光催化活性及生物活性進(jìn)行了研究，并將所合成的負(fù)載型納米TiO<,2>光催化劑用于實(shí)際

2、工業(yè)的處理，收到較好的效果；同時(shí)，探討了TiO<,2>基納米粉體的光催化機(jī)理，獲得了最佳合成土藝，豐富了鈦基納米材料的研究內(nèi)容，為半導(dǎo)體光催化材料的開發(fā)提供了有價(jià)值的信息，亦對拓寬志丹白土的應(yīng)用范圍，開發(fā)出一種新型實(shí)用的負(fù)載型TiO<,2>基光催化材料具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。論文工作主要分為兩部分： 一、納米TiO<,2>的合成、改性及催化性能研究 采用溶膠-凝膠法合成了納米TiO<,2>，以紫外燈為實(shí)驗(yàn)光源，以甲

3、基橙、酸性品紅、次甲基藍(lán)等幾種染料和色素的光催化降解為評價(jià)體系，研究了納米TiO<,2>的用量以及光解體系pH值等因素對三種物質(zhì)光催化降解速率的影響，獲取了最佳合成工藝，建立了光解動力學(xué)方程。一方面，在此基礎(chǔ)上，對納米TiO<,2>進(jìn)行Zn<'2+>、La<'3+>等金屬離子摻雜改性研究，考察了兩種金屬離子摻雜對催化劑物相結(jié)構(gòu)、吸收光譜及光催化降解甲基橙性能的影響規(guī)律。光解實(shí)驗(yàn)表明，摻雜改性后催化劑的光催化活性與摻雜量有關(guān)，適量Zn<'

4、2+>和La<'3+>摻雜后催化劑光催化活性較摻雜前均有明顯提高，這是摻雜后催化劑晶格畸變程度增加、晶粒細(xì)化及對光吸收利用率提高等多種因素綜合作用的結(jié)果：另一方面，以廣泛種植的農(nóng)作物豌豆為植物探針，初步研究了納米TiO<,2>對豌豆萌發(fā)及幼苗生長的影響規(guī)律。結(jié)果表明，納米TiO<,2>對豌豆萌發(fā)及幼苗生長的影響與其粒徑及投放量有關(guān)，投放量越大，粒徑越小，其影響作用也越大；投放量在一定范圍時(shí)，納米TiO<,2>對豌豆萌發(fā)及幼苗生長起促進(jìn)作

5、用，表現(xiàn)出了較高的生物活性，當(dāng)投放量超出對應(yīng)范圍時(shí)納米TiO<,2>對豌豆萌發(fā)及幼苗生長則具有明顯的抑制作用。有關(guān)影響作用機(jī)理尚無定論，可能與自由基的脅迫作用大小有關(guān)。 二、TiO<,2>柱撐白土復(fù)合光催化劑的合成、改性及光催化性能研究 陜西延安志丹縣天然白土蘊(yùn)藏豐富，經(jīng)過簡單處理可獲具有層狀微孔結(jié)構(gòu)的活性白土，以其為載體，合成了TiO<,2>柱撐白土復(fù)合催化劑，同時(shí)選擇另外兩種結(jié)構(gòu)類似的載體--活性碳和沸石作對比，考察

6、了負(fù)載量和熱處理溫度對復(fù)合催化劑結(jié)構(gòu)及光催化性能的影響規(guī)律。物相結(jié)構(gòu)分析表明，TiO<,2>呈分散狀態(tài)進(jìn)入白土層中，白土層間距擴(kuò)大，從而使催化劑具有較高的比表面積；通過負(fù)載量和煅燒溫度可調(diào)變復(fù)合催化劑層間距與比表面積，進(jìn)而微控催化劑的吸附性能和光催化活性。光催化實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)TiO<,2>負(fù)載量為66.42％、煅燒溫度為400℃時(shí)，所得光催化劑在較低投放量下(600 mg·dm<'-3>)表現(xiàn)出了較高的光催化活性，濃度為10 mg·dm<

7、'-3>的甲基橙溶液經(jīng)紫外光光照后脫色率可達(dá)90％以上，高于相同條件下活性炭和沸石負(fù)載催化劑及純納米TiO<,2>的光催化活性，這是TiO<,2>柱撐白土復(fù)合催化劑較高的比表面積、較高的表面酸性以及納米ZiO<,2>和載體白土之間的耦合作用等多種因素的協(xié)同作用所致。此外，在自然光下，當(dāng)投放量為1200 mg·dm<'-3>時(shí)，復(fù)合光催化劑對延安卷煙廠工業(yè)廢水表現(xiàn)出了較好的處理效果，廢水COD去除率為75.1％，且沉降性能好，易于回收利用

8、。為進(jìn)一步提高TiO<,2>柱撐白土復(fù)合催化劑的光催化性能，采用四種稀土離子(Sm<'3+>，Tm<'3+>，Ho<'3+>，Nd<'3+>)對其進(jìn)行摻雜改性，考察了稀土元素種類和摻雜量對其結(jié)構(gòu)和光催化活性的影響規(guī)律。光催化實(shí)驗(yàn)表明，四種稀土元素?fù)诫s均能提高復(fù)合光催化劑的光催化性能，相比之下Tm<'3+>摻雜改性效果最佳，當(dāng)Zm<'3+>摻雜量為0.1％，催化劑活性較高，相同投放量下，對卷煙廠蒸葉廢水表現(xiàn)出了更好的處理效果，COD去除率