發(fā)布時間：2020-11-05 12:44

　　 環(huán)境污染和能源短缺制約人類可持續(xù)發(fā)展的腳步。尋求一種清潔、節(jié)能、高效的化學工藝成為現(xiàn)如今最迫切的需求。TiO_2光催化劑憑借其高的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等特點,被人們認定為是具有良好發(fā)展前景的環(huán)保類光催化材料,但其最大的缺點在于TiO_2帶隙能量與太陽光光譜之間的匹配度較少,其潛力和可持續(xù)技術(shù)尚未被完全開發(fā)。本文基于上述原因,從內(nèi)部因素和外部條件兩個角度出發(fā),充分探究影響TiO_2光催化的主要因素,并通過摻雜不同磁導率離子合成復合催化劑,探究其在外加場——磁場條件下的光催化性能變化,具體工作如下:(1)基于正交試驗的原則,針對催化劑粒徑尺寸、催化劑用量、溶液pH值和磁場強度大小這4個影響因素分別設(shè)置3個水平程度,構(gòu)成9組條件不同的光催化實驗。三種不同粒徑大小的TiO_2樣品均主要為銳鈦礦結(jié)構(gòu),其比表面積隨著粒徑增大而呈現(xiàn)減小的趨勢,形貌規(guī)則度也有所下降。選取紫外光照60 min時的降解數(shù)據(jù)進行光催化分析,通過直觀計算和方差分析計算可以得出4個因素的重要性排序為:粒徑尺寸最為重要,磁場強度和催化劑用量較為重要,而pH值的影響則最小。所以,結(jié)合兩者得出最佳的實驗組合為:25 nm的TiO_2 150 mg,pH=7,磁場強度為0.1 T。(2)使用粒徑尺寸25 nm的TiO_2為載體,通過浸漬法制備不同摻雜比例的復合催化劑,并標記為0.5%、1.0%、2.0%、5.0%M/TiO_2(M=La~(3+);Ni~(2+);Cu~(2+))。通過表征發(fā)現(xiàn),摻雜離子對應的氧化物在TiO_2樣品的表面呈現(xiàn)高度分散狀態(tài),其高摻雜濃度下的實際摻雜比例與理論摻雜值基本保持一致。此外,3個摻雜系列對應的催化劑比表面積均小于摻雜前,吸脫附等溫線的類型為IV型,滯后環(huán)為H3,表現(xiàn)為粒子堆積形成的狹縫孔。同時由于摻雜離子磁導率的不同,所形成復合催化劑在磁場作用下的光催化呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。(3)將3個系列樣品在0.2 T條件下進行光催化實驗,鑭摻雜和鎳摻雜中最佳摻雜比例樣品(1.0%La~(3+)/TiO_2;0.5%Ni~(2+)/TiO_2)的光催化效果均小于純TiO_2的光催化效果,而最佳摻雜比的銅摻雜樣品(0.5%Cu~(2+)/TiO_2)則基本與純TiO_2的光催化效率保持一致。總體來說,3個最佳摻雜比例樣品在磁場條件下的光催化活性都強于未添加磁場時的光催化活性,但改變外加磁場強度從0.05 T至0.3 T變化,1.0%La~(3+)/TiO_2的光催化性能呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律,在0.2 T時具有最大一級動力學常數(shù);0.5%Ni~(2+)/TiO_2的光催化性能一直降低,光催化性能最優(yōu)時對應的磁場強度為0.05 T;0.5%Cu~(2+)/TiO_2的光催化規(guī)律與1.0%La~(3+)/TiO_2相一致,但銅摻雜樣品在0.3 T下的光催化性能提高幅度優(yōu)于鑭摻雜樣品的情況。
【學位單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O643.32;O644.1
【部分圖文】：

在全球范圍內(nèi)，人們生活環(huán)境受到了一定的污染和破壞，而清潔和自然能源則相對缺乏。這兩大最嚴重的問題使得人類可持續(xù)發(fā)展的腳步受到了一定程度的制約[1-6]。一方面，世界人口數(shù)量持續(xù)增加，工業(yè)化發(fā)展加速，導致了能源消耗的增大；另一方面，工業(yè)廢水、廢氣排放量并未得到降低，它們進入空氣和水路，造成嚴重的污染，全球變暖嚴重，氣候變化異常。所以尋求一種清潔、節(jié)能、高效的化學工藝成為現(xiàn)如今最迫切的需求。半導體光催化技術(shù)，主張利用太陽能實現(xiàn)化學能的有效轉(zhuǎn)化和儲存，提供了一種綠色、環(huán)保的消除有毒有害污染物的方式，成為應對挑戰(zhàn)的重要手段之一。所以，在最近的十幾年間，有關(guān)光催化方方面面的探究工作發(fā)展十分迅速：從理論上來看，已經(jīng)基本了解光催化的基礎(chǔ)原理，并在一定程度可以對光催化活性進行調(diào)控；從日常應用上來看，諸多基于半導體光催化技術(shù)的產(chǎn)品也走向了市場，進入到了人們生活的方方面面。其中，TiO2光催化劑憑借其高的化學穩(wěn)定性、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等特點，被人們認定為是具有良好發(fā)展前景的環(huán)保類光催化材料，在污染治理方面應用頗廣。而其他具體應用也如圖 1.1 所示。

圖 1. 2 半導體的光催化反應過程示意[20,21]響光催化活性的因素粒徑尺寸關(guān)文獻證明，半導體的顆粒大小對光催化劑的活性存在一定的影響況下，半導體納米粒子表現(xiàn)出的光催化活性要遠大于普通粒子的作來說，原因有以下三點：第一，納米粒子呈現(xiàn)出所謂的“量子尺寸徑尺寸的減少，半導體會發(fā)生一定的改變，即更正的價帶電位和更，由此在實驗時，電子-空穴對的氧化還原能力也得以提高；第二比表面積通常較大，在暗反應階段對物質(zhì)的吸附變強，同時這個特表面的氧空穴數(shù)量增多，進一步增加了反應的活性位點；第三，由的厚度一般會比粒子的粒徑大，所以進行光催化反應時可以忽略空影響因素的存在，光生載流子也容易從粒子內(nèi)部擴散到表面發(fā)生氧例如，當 TiO粒徑尺寸只有 10 nm 時，電子從樣品內(nèi)部擴散到表

中國計量大學碩士學位論文率增加。Sood 等人[59]利用簡單的水熱法合成了高效的光催化劑 Bi2O3/TiO2，并通過研究氧氟沙星水溶液（25 mg/L，pH = 7）的降解來評價，當 Bi2O3含量為1%，5%，10%時，添加 0.5 g/L 的催化劑，2h 內(nèi)能分別能降解 50.9%，60%，92.4%的氧氟沙星，遠大于純 TiO2時的 32.5%。另外，對 10% Bi2O3/TiO2催化劑進行循環(huán)測試，將每次實驗后的催化劑收集、洗滌、過濾，然后在 80℃下干燥過夜，連續(xù)三個循環(huán)后所獲得的降解率仍能保持 78.4%，74%和 73.1%。Wang 等人[60]成功制備出了納米纖維 TiO2/g-C3N4異質(zhì)結(jié)光催化劑，其 DRS 測試顯示樣品在紫外和可見光下呈現(xiàn)強烈的吸收，而光電化學實驗也證明了電子和空穴的復合受到了抑制，因此利用制備的催化劑對 50 mL 10 mg/L 的羅丹明 B 進行降解，當 TiO2含量增加到 29.30 wt%時，TiO2/g-C3N4具有最佳的光催化降解效率，同時回收樣品進行 4 次重復實驗，降解率仍能達到 96%。Yan 等人[61]通過水熱法在 TiO2納米管陣列表面成功地合成了 SrTiO3/TiO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并利用氫化處理進一步優(yōu)化異構(gòu)結(jié)構(gòu)，通過光電化學測試，最好的光電流密度能達到 0.48 mA/cm2。
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本文編號：2871653