稀土掺杂纳米TiO2的制备及其光催化性能研究

论文摘要

水资源污染是环境污染中的突出对象，提高污水处理技术是环保领域研究的热点。光催化氧化法具有高效、稳定、无二次污染以及对各类有机污染物尤其是难生物降解的有毒污染物进行深度、彻底氧化的突出优点，国内对该技术大都还只限于实验室研究水平。本文采用溶胶-凝胶法成功制备了稀土La3+、Ce3+单掺杂及La-Fe、Ce-Fe共掺杂纳米TiO2粉体。采用XRD、FE-SEM、EDS、FT-IR和UV-vis等手段对样品的结构、形貌、成分以及光谱特性进行了表征，以染料甲基橙和有机磷农药氯胺磷为光催化反应模型化合物，分析了制备和降解等工艺对有机物光催化降解的影响，从动力学角度分析了有机物的降解过程，结果表明：溶胶-凝胶法制备的TiO2粉体颗粒均匀，掺杂对粉体的粒径有很大影响，且随着热处理温度的升高，晶粒逐渐增大。掺杂纳米TiO2粉体的粒径比未掺杂纳米TiO2粉体的粒径小，说明掺杂抑制了纳米晶体的生长。稀土离子掺杂可以抑制TiO2锐钛矿相向金红石相的转变，提高相转变温度。稀土-金属共掺杂更好地抑制了TiO2从锐钛矿相向金红石相的转变。稀土掺杂纳米ZiO2的红外光谱的红外吸收带发生了宽化，而且TiO2晶体的Ti-O特征振动峰发生了红移。稀土掺杂纳米TiO2的紫外-可见吸收边带位置发生红移现象。纳米TiO2光催化剂的光催化性能在掺杂后得到明显提高，其中La3+的最佳掺杂量为0．5％，Ce3+的最佳掺杂量为1％，最佳热处理温度为500℃。稀土-金属共掺杂纳米TiO2光催化剂产生了协同效应，其光催化性能优于单掺杂样品，以La0．5％-Fe0．05％共掺杂效果最佳。在相同光催化剂和相同操作条件下，不同结构的有机物光催化降解有很大差别，甲基橙的降解率比氯胺磷要高。动力学研究表明，甲基橙溶液的光催化降解反应符合Langmuir-hinshelwood一级动力学方程，氯胺磷溶液光催化降解反应曲线符合二次曲线Y=A+B1*t+B2*t2的形式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 半导体光催化的基本原理
• 2的晶型及结构'>1.2.1 TiO₂的晶型及结构
• 1.2.2 半导体的能带
• 1.2.3 半导体多相光催化过程
• 1.2.4 半导体光催化动力学
• 2的概况'>1.3 稀土掺杂纳米TiO₂的概况
• 1.3.1 稀土的特性
• 2的制备'>1.3.2 稀土掺杂纳米TiO₂的制备
• 2光催化活性的影响因素'>1.3.3 掺杂TiO₂光催化活性的影响因素
• 2的作用机理'>1.3.4 稀土掺杂TiO₂的作用机理
• 1.4 染料和农药污染的治理
• 1.4.1 染料方面
• 1.4.2 农药方面
• 1.5 本论文研究的目的、意义及内容
• 1.5.1 研究的目的和意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 实验过程及方案
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器与设备
• 2.3 工艺流程及控制因素
• 2.3.1 工艺流程
• 2.3.2 控制因素
• 2.3.2.1 溶胶-凝胶法的本质
• 2.3.2.2 溶胶-凝胶法的影响因素
• 2.4 实验方案的选择
• 2.4.1 原料的选择
• 2.4.2 热处理温度的选择
• 2.4.3 降解工艺的选择
• 2.5 分析测试方法及目的
• 2.5.1 光催化剂的表征
• 2.5.1.1 XRD 分析
• 2.5.1.2 SEM 分析
• 2.5.1.3 EDS分析
• 2.5.1.4 FT-IR分析
• 2.5.1.5 UV-vis分析
• 2.5.2 光催化性能的测试
• 2.5.2.1 染料降解的检测
• 2.5.2.2 有机磷农药降解的检测
• 2光催化剂的制备及表征'>第三章 稀土掺杂纳米TiO₂光催化剂的制备及表征
• 2粉体'>3.1 溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂粉体
• 3.1.1 制备原理
• 3.1.2 制备过程
• 2粉体的表征'>3.2 纳米TiO₂粉体的表征
• 3.2.1 XRD分析
• 2体系的XRD分析'>3.2.1.1 纯TiO₂体系的XRD分析
• 2体系的XRD分析'>3.2.1.2 镧、铈单掺杂TiO₂体系的XRD分析
• 2体系的XRD分析'>3.2.1.3 稀土-过渡金属共掺杂TiO₂体系的XRD分析
• 3.2.2 FE-SEM分析
• 3.2.3 EDS分析
• 3.2.4 FT-IR分析
• 3.2.5 UV-vis分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 染料的光催化降解研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 表征方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 紫外光空白实验
• 2光催化降解甲基橙的影响'>4.2.2 溶液初始浓度对TiO₂光催化降解甲基橙的影响
• 3+和Ce³⁺单掺杂对TiO₂光催化降解甲基橙的影响'>4.2.3 稀土La³⁺和Ce³⁺单掺杂对TiO₂光催化降解甲基橙的影响
• 3+单掺杂单对TiO₂光催化降解甲基橙的影响'>4.2.4 Fe³⁺单掺杂单对TiO₂光催化降解甲基橙的影响
• 2光催化降解甲基橙的影响'>4.2.5 稀土-金属共掺杂对TiO₂光催化降解甲基橙的影响
• 4.2.6 染料甲基橙降解的动力学研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 有机磷农药的光催化降解研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 表征方法
• 5.2 结果与讨论
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.1 不同光照对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.2 光催化剂用量对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.3 溶液初始浓度对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.4 稀土掺杂浓度对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.5 不同温度热处理对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 2光催化降解氯胺磷的影响'>5.2.6 溶液初始pH值对TiO₂光催化降解氯胺磷的影响
• 5.2.7 有机磷农药氯胺磷降解的动力学分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果