溶剂热法合成新型光催化剂及其性能研究

论文摘要

半导体光催化是一门集表面化学、材料学、光学、电化学、催化化学和环境化学于一体的综合性学科,其特征是半导体光催化剂通过吸收光能在导带和价带分别产生具有极强还原能力的光生电子和氧化能力的光生空穴,在催化剂表面发生直接或间接的还原或氧化反应。在众多的半导体光催化剂中TiO2以其无毒、化学稳定性好、催化活性高、廉价易得及可直接利用太阳光等优点受到人们的亲睐,但是较宽的禁带和较低的量子效率限制了其发展。然而研究表明,二氧化钛的光催化活性除取决于比表面积、晶相、结晶度和形貌结构外,还取决于其暴露的晶面。本实验室已从事多年的光催化剂设计和开发工作,在研究催化剂结构和暴露面与活性的内在联系方面积累了丰富的经验。针对现在光催化领域存在的实际问题和本实验室的实际情况,我们从催化剂的晶面和形貌方面入手,通过对合成条件的优化,合成了具有高能面暴露的特殊形貌结构的二氧化钛光催化剂,并研究了暴露面和结构对活性的影响,为实用性光催化技术积累了一定的经验。本论文主要开展了以下四方面的工作:1、醇热法合成高效光催化剂Bi2WO6及其光催化性能研究采用溶剂热方法制备了均匀球形结构的Bi2WO6可见光催化剂且具有较大比表面积可达5.0 m2/g,是固相法合成样品的10倍左右。并将其应用于含有RhB的染料废水降解实验中;同时与固相法合成的Bi2WO6光催化剂做了相应的对比。结果表明,通过溶剂热合成的Bi2WO6光催化剂具有较高的光催化活性。2、水热法合成{001}面暴露结构可控的二氧化钛微米球通过水热法以TiF4为前驱体,以蒸馏水为溶剂,通过调变陈化温度和陈化时间合成了结构可控的{001}高能面暴露的二氧化钛微米球。并采用FESEM、XRD、TEM等表征方法证明了微米球从实心到空心的结构可控性,同时还证实了微米球的外表面为{001}高能面。同时该光催化剂在甲苯的光催化选择性氧化中显示了很好的光催化活性,其活性是商业化二氧化钛P25的3倍左右。3、醇热法合成{001}面高暴露率的单晶微米片层状二氧化钛借助醇热法以TiF4为前驱体,以苯甲醇为溶剂,通过调变陈化温度和陈化时间合成了{001}高能面暴露的微米片层状二氧化钛。BET测试表明其比表面积可达16 m2/g,是现在已报道单晶氧化钛的2-3倍。采用XRD、FESEM、TEM等测试手段,对光催化剂的形貌、晶相及暴露面做了详细的证明,并计算了{001}高能面暴露率高达95 %。同时以甲苯的光催化选择性氧化为探针反应研究了其光催化活性。4、尺寸及{001}面暴露率可控的单晶二氧化钛的合成利用溶剂热,以TiF4为前驱物,苯甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇和叔丁醇为溶剂,通过调节不同的醇试剂包括醇试剂的种类、用量以及合成条件的优化制备了尺寸及{001}高能面暴露率可调的单晶二氧化钛。采用TEM、FESEM、XRD和XPS等测试手段,对产物形貌和组成进行详细的分析和表征并计算了{001}高能面的暴露率。通过甲苯的光催化选择性氧化研究了其光催化活性与单晶氧化钛粒径尺寸和{001}高能面暴露率的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 半导体光催化背景概述
• 1.2 半导体光催化原理
• 1.3 半导体光催化剂的改善方法
• 1.4 立题依据与研究方案
• 第二章 催化剂制备和研究方法
• 2.1 原料与试剂
• 2.2 催化剂表征方法
• 2.3 光催化剂的制备
• 2.4 光催化活性测试
• 2WO₆及其光催化性能研究'>第三章 醇热法合成高效光催化剂 Bi₂WO₆及其光催化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 催化剂的结构表征
• 3.3 催化剂的光催化活性评价
• 3.4 本章小结
• 第四章 水热法合成{001}面暴露结构可控的二氧化钛微米球
• 4.1 引言
• 4.2 催化剂的结构表征
• 4.3 中空微米球的形成机理
• 4.4 光催化选择性氧化活性评价
• 4.5 本章小结
• 第五章 醇热法合成{001}高暴露率的单晶微米片层状二氧化钛
• 5.1 引言
• 5.2 催化剂的结构表征
• 5.3 催化剂的形成机理
• 5.4 催化剂的活性评价
• 5.5 本章小结
• 第六章 尺寸及{001}面暴露率可控的单晶二氧化钛的合成
• 6.1 引言
• 6.2 催化剂的结构表征
• 6.3 不同催化剂样品的活性评价
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 论文发表情况
• 会议论文