掺N纳米TiO2光催化材料制备及应用研究

论文摘要

由于纳米TiO2具有高活性、安全无毒、化学性质稳定、成本低等优点，被公认为是环境治理领域最具开发前途的环保型光催化材料。但是由于纳米TiO2的带隙较宽，仅在紫外光下具有较高光催化活性，且催化剂回收困难，限制了其工业化进程。针对纳米TiO2的以上缺点，论文以高岭土为载体，利用非金属元素N对纳米TiO2进行掺杂改性，制备了具有可见光催化活性的掺N纳米TiO2和高岭石基掺N纳米TiO2。研究了两种光催化材料对偶氮染料废水和农药废水的降解过程及机理。得到结论如下：1．研究了掺N纳米TiO2和高岭石基掺N纳米TiO2光催化材料的制备方法与条件。采用溶胶-凝胶法制备了复合体系，优化的掺N纳米TiO2工艺及参数为：溶胶前驱体Ti（OC4H9）4-CH3CH2OH-N（CH2CH2OH）3-H2O-NH3的摩尔配比为1：15：2．5：15：5，在25℃下制备的钛溶胶经过60℃水浴6h形成凝胶，500℃焙烧4h得到掺N纳米TiO2；优化的高岭石基掺N纳米TiO2工艺及参数为：溶胶前驱体Ti（OC4H9）4-CH3CH2OH-N（CH2CH2OH）3-NH3·H2O的摩尔配比为1：30：2.5：5，在6％高岭土浓度、50℃反应温度下得到凝胶状复合体系，经70℃干燥，500℃焙烧2h制备得到高岭石基掺N纳米TiO2。2．采用XRD、FTIR、Raman和SEM技术对优化条件下制备的样品进行了晶体结构、分子结构和表面形貌的表征分析。结果表明，高岭石表面被纳米锐钛矿相TiO2均匀覆盖。N取代TiO2晶格中的部分氧原子位与Ti键合形成Ti-N化学键。N的掺入在一定温度下，阻碍了锐钛矿相TiO2向金红石相的转变。3．以偶氮染料废水为对象进行了降解脱色研究。偶氮染料废水初始吸光度Ao=0.200，催化剂浓度0.25g╱L，在紫外灯下照射50min，掺N纳米TiO2和高岭石基掺N纳米TiO2对偶氮染料废水的脱色率分别为99.3％和99.0％，COD去除率分别为98.6％和97.8％。与掺N纳米TiO2相比，高岭石基掺N纳米TiO2降解速度快，且有利于催化剂回收并多次利用。4．在紫外光和模拟太阳光下以DDVP农药为对象进行了降解研究。DDVP初始浓度10mg╱L，催化剂浓度0.2g╱L，在紫外灯下照射50min，高岭石基掺N纳米TiO2对DDVP的降解率为97.4％。添加适量H2O2可加大反应速率。溶液pH值对DDVP的降解效果有较大影响，酸性和碱性环境的降解率高于中性。在模拟太阳光的氙灯下照射150min，高岭石基纳米TiO2和高岭石基掺N纳米TiO2对DDVP的降解率分别为51.3％和93.4％。表明N的掺杂使TiO2的光响应范围由紫外光拓展至可见光。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 2光催化材料的概况'>1.1 纳米TiO₂光催化材料的概况
• 2的掺杂和负载'>1.1.1 纳米TiO₂的掺杂和负载
• 2的制备方法'>1.1.2 掺N纳米TiO₂的制备方法
• 2的应用'>1.1.3 纳米TiO₂的应用
• 1.2 偶氮染料废水的概况
• 1.2.1 偶氮染料废水的危害
• 1.2.2 偶氮染料废水的处理方法
• 1.3 有机磷农药的概况
• 1.3.1 有机磷农药废水的污染
• 1.3.2 有机磷农药废水的处理方法
• 1.3.3 光催化技术
• 1.4 研究目的及研究内容
• 2的制备及表征'>第2章 掺N纳米TiO₂的制备及表征
• 2.1 试验试剂及仪器
• 2.1.1 试验试剂
• 2.1.2 试验仪器
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 反应历程
• 2.2.2 制备工艺流程
• 2.2.3 降解流程
• 2.3 试验结果与讨论
• 2.3.1 前驱体配比
• 2.3.2 水浴温度
• 2.3.3 焙烧温度
• 2.3.4 焙烧时间
• 2.4 光催化机理
• 2.5 小结
• 2的制备及表征'>第3章 高岭石基掺N纳米TiO₂的制备及表征
• 3.1 试验试剂及仪器
• 3.1.1 试验试剂
• 3.1.2 试验仪器
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 高岭土性质
• 3.2.2 制备工艺流程
• 3.2.3 降解流程
• 3.2.4 表征方法
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 前驱体配比
• 3.3.2 反应温度
• 3.3.3 焙烧温度
• 3.3.4 焙烧时间
• 2/Kalt复合体系的表征'>3.4 N-TiO₂/Kalt复合体系的表征
• 3.4.1 复合体系的XRD分析
• 3.4.2 复合体系的FTIR分析
• 3.4.3 复合体系的Raman分析
• 3.4.4 复合体系的SEM表征
• 3.5 小练
• 第4章 光催化降解偶氮染料废水应用研究
• 4.1 试验试剂及仪器
• 4.1.1 试验试剂
• 4.1.2 试验仪器
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 偶氮染料废水性质
• 4.2.2 光催化降解
• 4.2.3 分析方法
• 4.3 试验结果与讨论
• 4.3.1 闭光试验
• 4.3.2 紫外光降解试验
• 4.3.3 COD去除率试验
• 4.3.4 催化剂回收利用试验
• 4.4 降解机理探讨
• 4.5 小结
• 2降解DDVP研究'>第5章 高岭石基掺N纳米TiO₂降解DDVP研究
• 5.1 试验试剂及仪器
• 5.1.1 试验试剂
• 5.1.2 试验仪器
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 DDVP的基本性质
• 5.2.1 光催化降解
• 5.2.2 分析方法
• 5.3 试验结果与讨论
• 5.3.1 空白试验
• 5.3.2 影响光催化降解效果的因素
• 5.3.3 催化剂的重复利用
• 5.3.4 COD去除率
• 5.3.5 不同光源对比试验
• 5.4 催化机理及降解机理
• 5.4.1 可见光催化机理
• 5.4.2 降解机理
• 5.5 小结
• 第6章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录: 攻读硕士学位期间发表的论文