畢業(yè)論文--二氧化鈦光催化材料的制備與性能研究

1、畢業(yè)論文題目二氧化鈦光催化材料的制備與性能研究學(xué)院專業(yè)年級學(xué)生學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2012 年 5 月 3 日二氧化鈦光催化材料的制備與性能研究摘要：半導(dǎo)體 TiO2是光催化領(lǐng)域最常用和最重要的材料，在紫外光白激發(fā)下，TiO2產(chǎn)生電子一空穴對，具有強(qiáng)氧化能力，可用于降解污染氣體和廢水中的有機(jī)物，在環(huán)保等領(lǐng)域具有極廣闊的應(yīng)用前景。本論文通過溶膠一凝膠法制備 TiO2光催化劑，以鈦酸丁酯為單體，制備了穩(wěn)定的溶膠。對它進(jìn)行改性，能使其具有紫外-可見光響應(yīng)、強(qiáng)氧化降解有機(jī)污染物的能力。將鋅、銅、鐵三種金屬氧化物復(fù)合二氧化鈦，對其進(jìn)行改性，獲得二氧化鈦復(fù)合物。利用噴涂法將復(fù)合物負(fù)載在鋼片上，利用紫外光催

2、化法對上述改性材料的光降解有機(jī)廢物的催化效果進(jìn)行考察，實(shí)驗(yàn)表明，二氧化鈦復(fù)合鐵的氧化物，可增加其降解效果，同時(shí)證明了制備復(fù)合物時(shí)的燒結(jié)溫度、pH 值和催化時(shí)間等條件都對降解效果有一定影響。關(guān)鍵詞：二氧化鈦；復(fù)合；光催化。PreparationandPropertiesofTitaniumDioxidePhotocatalyticMaterialsNingxiaUniversity,SchoolofChemistryandChemicalEngineering2012SessionAbstract:ThesemiconductorTiO2photocatalysisisthemostcommon

3、lyusedandmostimportantmaterialsunderUVexcitation,TiO2electron-holepair,withastrongoxidizingability,canbeusedtodegradeorganicpollutiongasesandwastewater,inthefieldofenvironmentalprotection,etc.hasverybroadapplicationprospectsInthisthesis,preparedbysol-gelTiO2photocatalysts,tetrabutyltitanateasthemono

4、mertoprepareastableSQlItwasmodifiedtogiveitaUV-visiblelightresponseandstrongoxidizingabilitytodegradeorganicpollutants。Zinc,copper,iron,threekindsofmetaloxidecompositetitaniumdioxideanditsmodification,complexesoftitaniumdioxide0UseofsprayingcomplexloadinthesteelUVcatalysisstudyexperimentsshowthatthe

5、titaniumoxidecompositeoxideofiron,canincreasethedegradationefficiencyofthecatalyticeffectofthemodifiedmaterials,photodegradationoforganicwastethesinteringtemperaturepHvalueandthecatalytictimewhenconditionsinthepreparationofcompoundshaveacertaininfluenceonthedegradationeffectKeywords:titaniumdioxide；

6、compound;photocatalysis目錄第一章概述11.1 文獻(xiàn)綜述 11.2 論文的目的及意義 2氧化鈦的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用途 2國內(nèi)外光催化的研究進(jìn)展和方向 4第二章實(shí)驗(yàn)部分5(2)實(shí)驗(yàn)試劑與儀器 52實(shí)驗(yàn)試劑 52實(shí)驗(yàn)儀器 5(2)實(shí)驗(yàn)方法 62.2.1 制備方法 6檢測方法 6(2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 62.3.1 溶液的配制、二氧化鈦溶膠的制備及復(fù)合材料的制備 6復(fù)合材料的降解效果檢測 8第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論10二氧化鈦溶膠光催化的結(jié)果 10三種復(fù)合材料的比較 11氧化鋅-二氧化鈦 11氧化鋁-二氧化鈦 12氧化鐵-二氧化鈦 14二氧化鈦與三種復(fù)合材料的降解效果比較：15焙燒溫度對光催化

7、活性的影響 16溶液 pH 對光催化活性的影響 16第四章結(jié)論與展望19參考文獻(xiàn)20致121第一章概述文獻(xiàn)綜述有毒難降解污染物引起的環(huán)境問題已成為 21 世紀(jì)影響人類生存與健康的重大問題。 這些污染物毒性大，難降解，即使?jié)舛群艿鸵踩菀滓饎游锛叭祟愔掳⒅禄?、致突變性等?yán)重后果，直接威脅動物和人類的生存和健康，納米半導(dǎo)體光催化技術(shù)幾乎可以礦化所有的有機(jī)污染物，被認(rèn)為是一種最為環(huán)保的環(huán)境污染物深度處理技術(shù)。隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題已成為人們普遍關(guān)注的社會問題。光催化降解有機(jī)污染物的方法，具有節(jié)能（可利用自然光）、適用范圍廣及無毒等許多優(yōu)點(diǎn)，具有極為誘人的前景。光催化氧化作為一種高級氧化技術(shù)

8、，已日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。粉末狀催化劑在回收處理方面的缺點(diǎn)使得負(fù)載型光催化劑的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。大量試驗(yàn)研究表明，TiO2催化劑光照后不發(fā)生光腐蝕，耐酸堿性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對生物無毒性；來源豐富，世界年消費(fèi)量為 350 萬噸；能隙較大，產(chǎn)生光生電子和空穴的電勢電位高，有很強(qiáng)的氧化性和還原性，TiO2作為耐久的光催化劑已經(jīng)被應(yīng)用在處理各種環(huán)境問題上。TiO2是一種半導(dǎo)體材料，它以優(yōu)異的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)而成為透明導(dǎo)電材料研究熱點(diǎn)之一。半導(dǎo)體的光催化性質(zhì)與其能帶結(jié)構(gòu)是分不開的。半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)通常是由一個(gè)充滿電子的最高占有能帶和一個(gè)最低空能帶構(gòu)成，他們之間的區(qū)域稱為禁帶。禁帶是一個(gè)不連續(xù)區(qū)域，

9、當(dāng)半導(dǎo)體被能量大于其禁帶寬度的光子照射時(shí)，價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶形成導(dǎo)帶電子，并在價(jià)帶上生成空穴，從而在價(jià)帶與導(dǎo)帶間形成高活性的電子-空穴對。該電子-空穴對在半導(dǎo)體中形成較強(qiáng)的氧化-還原體系，當(dāng)其遷移至半導(dǎo)體表面后可將吸附在半導(dǎo)體表面上的有機(jī)物氧化或還原。從而達(dá)到降解有機(jī)污染物的目的。TiO2等半導(dǎo)體發(fā)生光催化反應(yīng)時(shí)，起始步驟是在半導(dǎo)體顆粒中產(chǎn)生電子-空穴對。當(dāng)用光照射半導(dǎo)體光催化劑時(shí)，如果光子的能量高于半導(dǎo)體的禁帶寬度，則半導(dǎo)體的價(jià)帶電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生光致電子和空穴。如半導(dǎo)體 TiO2的禁帶寬度 312eV,當(dāng)光子波長小于 385nnW,電子就發(fā)生躍遷，產(chǎn)生光致電子和空穴。負(fù)載

10、 TiO2的載體種類繁多，對其光催化影響差異很大，良好的光催化劑載體應(yīng)具有以下特點(diǎn)：具有良好的透光性，在不影響 TiO2光催化活性的前提下，與 TiO2顆粒間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，比表面積大，對被降解的污染物有較強(qiáng)吸附性，易于固液分離，有利于固液傳質(zhì)，化學(xué)惰性等。半導(dǎo)體 TiO2是一種新型的高效光催化劑，具有很強(qiáng)的氧化能力，在一定能量的光照條件下， 它不僅能將環(huán)境中的有害有機(jī)物降解為 CO2和 H2O,而且可以氧化去除大氣中低濃度的 NOx 和含硫化合物（如 H2S、SC2）等有毒氣體。另外，光催化劑 TiO2還具有殺菌、除臭、防霧、自潔凈等作用，可以進(jìn)一步凈化和改善生活環(huán)境。TiO2光催化具有能

11、耗低、操作簡單、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來日益受重視的環(huán)境污染治理新技術(shù)，并受到廣泛關(guān)注。早期的研究中大都將 TiO2粉體混入溶液中，通過通風(fēng)（一般是空氣或氧氣）攪拌或直接機(jī)械攪拌，使其與被光解物充混合，這時(shí) TiO2懸浮在溶液中，稱為懸浮體系，懸浮體簡單方便，而且與被光解物接觸充分，一般光解效率較高；但懸浮體系中的 TiO2顆粒極為細(xì)小，使用中存在難以回收、容易中毒，且當(dāng)溶液中存在高價(jià)陽離子時(shí)，催化劑不易發(fā)散等缺點(diǎn)，限制了其實(shí)際應(yīng)用。負(fù)載后的 TiO2雖然催化活性稍有降低，但并不影響實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)使用較為先進(jìn)的負(fù)載技術(shù)或和光化學(xué)反應(yīng)器時(shí)，甚至獲得更高的催化效率。因此，如何將

12、TiO2光催化劑負(fù)載在合適的載體上，成為光催化領(lǐng)域迫切需要解決的問題。綜上所述，研究改性納米氧化鈦材料的光催化性能，負(fù)載在合適的載體上，使其具有紫外-可見光響應(yīng)的、強(qiáng)氧化性的特性，達(dá)到高效去除有毒污染物的目的，具有很廣闊的實(shí)際意義。單一使用摻雜、復(fù)合或負(fù)載化都不能達(dá)到理想效果。只有綜合利用這些手段設(shè)計(jì)光催化劑的結(jié)構(gòu)與形式，才能調(diào)控材料的帶隙寬度和帶邊位置使其既具有可見光響應(yīng)又與有毒污染物的電極電位匹配，從而達(dá)到降解有毒難降解污染物的目的。另外 TiO2來源廣、價(jià)格便宜，使得該新型材料的制造成本低廉，因此，應(yīng)用前景廣闊。1.2 論文的目的及意義本論文通過對 TiO2光催化材料的制備及其復(fù)合三種金

13、屬離子的氧化物負(fù)載在不銹鋼片上利用紫外光催化法對三種氧化鈦復(fù)合材料進(jìn)行考察表征，并對其光催化性能進(jìn)行研究，通過各種表征手段分析。從而得到降解效果比較好的復(fù)合材料，并找到最佳催化條件，達(dá)到有效降解有機(jī)污染物的目的。光催化劑 TiO2具有殺菌、除臭、防霧、自潔凈等作用，可以進(jìn)一步凈化和改善生活環(huán)境。TiO2光催化具有能耗低、操光催化性能，使作簡單、反應(yīng)條件溫和以及無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。因此研究改進(jìn)納米氧化鈦材料的其具有紫外-可見光響應(yīng)的、強(qiáng)氧化性的特性，達(dá)到高效去除有毒污染物的目的，具有很廣闊的實(shí)際意義。采用溶膠-凝膠法合成 TiO2,具有反應(yīng)溫度低（通常在常溫下進(jìn)行），設(shè)備簡單，工藝可控可調(diào)，過程重

14、復(fù)性好等特點(diǎn)，與沉淀法相比，不需過濾洗滌，不產(chǎn)生大量廢液。同時(shí)，因凝膠的生成，凝膠中顆粒間結(jié)構(gòu)的固定化，還可有效抑制顆粒的生長和團(tuán)聚過程。目前，二氧化鈦光催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中越來越受到人們的關(guān)注和重視，它對于環(huán)境保護(hù)、維持生態(tài)平衡、節(jié)約費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。氧化鈦的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用途TiO2是一種常見的 n 型半導(dǎo)體，同時(shí)是多晶型的化合物，在自然界中有三種結(jié)晶形態(tài)：金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型，其相關(guān)性質(zhì)見表 1-1、表 1-2。板鈦礦型在自然界中很稀有，屬斜方晶系，是不穩(wěn)定的晶型，相比金紅石和銳鈦礦型 TiO2,合成比較困難，目前的相關(guān)報(bào)道也比較少。金紅石型和銳鈦礦型為同一品系，都

15、屬于四方品系，但具有不同的晶格。金紅石型晶體細(xì)長，呈棱形晶體，通常為李品，而銳鈦礦型一般為近似規(guī)則的八面體。表 1-1 不同晶相結(jié)構(gòu) TiO2的晶體類型與晶胞參數(shù)TiO 吆吉構(gòu)晶系銳鈦礦相四方板鈦礦相斜方空間群C4/amcPbcaZ88晶胞參數(shù)abc一金紅石相四方P42/mmm2一表 1-2 不同晶相結(jié)構(gòu)TiO2的物理化學(xué)性質(zhì)性質(zhì)銳鈦礦相板鈦礦相金紅石相標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焰/(-1)標(biāo)準(zhǔn)摩爾：W/(J.K-1,mol-1)熔點(diǎn)/(C)熔化熱/(-1)密度/(-3)折射率/(,25C)相對介電常數(shù)一一NwNe48(粉末)一一一一NayNbNy78(中性晶體)1855NwNe11017（粉末）硬度(Mo

16、hs 標(biāo)度)TiO2在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用：TiO2光催化技術(shù)處理污水則具有能耗低、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、可減少二次污染等優(yōu)點(diǎn)，能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化水、二氧化碳。許多難降解的或用其他方法難去除的物質(zhì)如氯仿、多氯聯(lián)苯、多苯芳姓也可用此法去除。此外 TiO2也可以將電鍍工業(yè)廢水中 Cr6+還原。 城市中工業(yè)廢氣， 交通工具排放出的大量尾氣，裝修材料中甲醛等有毒氣體越來越影響人們的身體健康。如果能在道路兩旁的路燈，建筑物上涂上具有光催化作用的 TiO2可以有效減少空氣污染。如果在室內(nèi)的裝修材料上生成 TiO2薄膜可以凈化室內(nèi)空氣，除去異味。TiO2還有殺菌除臭的功能。這是因?yàn)樵谧贤夤獾恼丈湎?TiO2

17、表面產(chǎn)生非?；顫姷臍溲踝杂?，它具有很強(qiáng)的氧化性，可以殺死周圍的茵類。TiO2光催化劑對大腸桿菌、金黃葡萄球菌、綠膿桿菌等有抑制繁殖和滅殺作用。當(dāng)細(xì)菌吸附于涂覆了面 TiO2的器皿表面時(shí)，超氧離子自由基和氫氧自由基能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，進(jìn)入菌體，阻止成膜物質(zhì)的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效地殺滅細(xì)菌并抑制了細(xì)菌的生長，分解有機(jī)物產(chǎn)生臭味物質(zhì)(如 HS、NH、硫醇等)，因此能凈化空氣，具有除臭功能。將 TiO2涂覆在金屬把手等易接觸到的公用物品上，可以將使用后留在把手上的有機(jī)物分解并能將微生物殺滅，可以避免交叉感染。TiO2光催化劑還可用在冰箱中起到殺菌的作用。TiO2制造太陽能電池，

18、 TiO2自清潔玻璃： 1997年 ILWang和 A.Fujishima等報(bào)道了 TiO2薄膜在紫外光照射下，表面具有親水親油的雙親特性，超親水性使其具有防霧功能，雙親特性使建筑玻璃具有自清潔功能。自清潔玻璃在太陽光的照射下，可以將附著在表面上的油污等有機(jī)物分解掉，而且由于該薄膜表面具有很強(qiáng)的親水性，水分子容易滲透到灰塵、油污等附著物同表面之間，破壞附著物同表面之間的相互作用，并與油污分子形成類似乳濁液的狀態(tài)， 于是自清潔玻璃將在雨水的沖刷下自然保持潔凈。 利用 TiO2的超親水性，還可將其用途擴(kuò)大到汽車玻璃、汽車后視鏡、防霧鏡子及防霧玻璃等。止匕外，TiO2薄膜在低輻射玻璃、新型人工心臟瓣

19、膜 M 的制造方面也得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外光催化的研究進(jìn)展和方向自1972年Fujiahim等發(fā)現(xiàn)受輻射的納米TiO2表面能發(fā)生水的持續(xù)氧化還原反應(yīng)以來，以納米 TiO2為代表的半導(dǎo)體光催化材料研究成為一個(gè)熱點(diǎn)。Carey 等在 1976 年首次提出應(yīng)用納米 TiO2光催化降解聯(lián)苯和氯代聯(lián)苯的新方法，開辟了半導(dǎo)體光催化劑在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用新領(lǐng)域，隨后人們又發(fā)現(xiàn)納米 TiO2光催化材料還具有凈化空氣、殺菌、除臭等一系列新功能。1977 年 Frank 和 Bard 等報(bào)道 TiO2能夠?qū)⑺械姆铮╟yanide）分解，并首次提出了用光催化劑處理污水的設(shè)想。TiO2光催化技術(shù)作為一種新型的

20、理想的水處理技術(shù)，具有操作簡單、成本低廉、無二次污染等特點(diǎn)，其實(shí)用化的研究開發(fā)日益受到廣泛重視，并得到了快速發(fā)展，在環(huán)境領(lǐng)域、現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域、衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域具有極廣闊的應(yīng)用前景，為改善人類的生存環(huán)境將產(chǎn)生重大影響。TiO2不僅活性高，熱穩(wěn)定性好，持續(xù)作用時(shí)間長，價(jià)格便宜，對人無害，因而倍受青睞，成為最受關(guān)注的一種光催化劑。由于納米材料的高比表面積和高活性，使得納米光催化劑具有更強(qiáng)的氧化和還原能力， 從理論上講它可以降解幾乎所有的有機(jī)物和細(xì)菌， 最終生成CO2和H2O,對于常見的化學(xué)污染物和致病菌都具有凈化功能，避免了常規(guī)凈化方法帶來的針對不同污染物而采用不同凈化方法的缺點(diǎn)，提高了設(shè)備利用效率。在過

21、去的 20 多年中，科技工作者一直在廣泛、深入地研究納米 TiO2等半導(dǎo)體納米材料的光催化原理及其改性技術(shù)，以提高納米光催化劑的活性和催化效率，目前納米光催化技術(shù)在降解水及空氣中多種有害物質(zhì)方面取得了一系列突破性的進(jìn)展。同時(shí)，由于全球工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展成為人們必須考慮的首要問題，從而光催化材料成為科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。近十幾年來，光催化在環(huán)保、健康等方面的應(yīng)用中得到迅速發(fā)展。僅在水、大氣和污水處理的領(lǐng)域，最近10 年來，每年都有數(shù)千篇科學(xué)論文發(fā)表。在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體光催化產(chǎn)生了驚人的效益。目前在光催化領(lǐng)域采用的納米光催化劑多為 N 型半導(dǎo)體材料，如 TiO

22、2、ZnO、Fe2O3、SnO2、WO 等都具有明顯的光催化效果。第二章實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)試劑與儀器實(shí)驗(yàn)試劑表 2-1 實(shí)驗(yàn)試劑試劑名稱型號和規(guī)格生產(chǎn)廠家亞甲基藍(lán)分析純上海試劑廠無水乙醇分析純湖南師范大學(xué)化學(xué)試劑廠冰醋酸分析純天津市瑞金特化學(xué)品有限公司鈦酸四釘脂分析純天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心氧化鋅分析純北京化學(xué)試劑三廠氧化鋁分析純成都科龍化工試劑廠氫氧化鈉分析純成都科龍化工試劑廠鹽酸分析純西安化學(xué)試劑廠pH 試紙廣泛上海試劑三廠實(shí)驗(yàn)儀器表 2-2 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器型號和功率生產(chǎn)廠家多功能磁力攪拌器DCG-C鞏義市英峪予華儀器廠馬弗爐3X-8-10長城電爐廠紫外燈管80W自制干燥噴霧器SHB-IV

23、雙 A250W鄭州長城科工貿(mào)有限公司電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱DHG-90703000W上海齊欣科學(xué)儀器有限公司紫外可見分光光度計(jì)TU-1810150w北京普析通用儀器有限責(zé)任公司超聲波清洗器CQX25-06上海必能性超聲有限公司2.2 實(shí)驗(yàn)方法制備方法通過溶膠-凝膠法，以鈦酸丁酯為起始原料，以無水乙醇為溶劑，在蒸儲水、冰醋酸的相互作用下，通過水解和縮聚反應(yīng)制備二氧化鈦溶膠。采用溶膠-凝膠法制備TG、TA 時(shí) TiO2溶膠涂覆時(shí)的粘度很重要，可直接影響到 TiO2負(fù)載量、分散度、粒徑和結(jié)構(gòu)等。因此，必須對合成原料各個(gè)組分的用量及其比例進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，同時(shí)對原料進(jìn)行純化，并保持合成環(huán)境的清潔，雜質(zhì)或者灰塵

24、的引入都有可能導(dǎo)致二氧化鈦納米粒子團(tuán)聚，對之后的環(huán)節(jié)會產(chǎn)生不利的影響。溶膠制備過程中，用攪拌器快速攪拌保證混合液的均勻性，并且注意各組分的添加順序，將鈦酸四丁酯用適量的鹽酸來控制溶膠的水解縮合速率，用磁力攪拌器混合均勻后通過分液漏斗緩滴入三口瓶中，滴加速度控制在 23ml/min。水解、縮合反應(yīng)在 25c 下不斷地?cái)嚢柚羞M(jìn)行，待滴加完畢后，繼續(xù)攪拌 2h 后靜置。調(diào)節(jié)反應(yīng)物、溶劑的比例、催化劑和蒸儲水的用量可以合成出不同特性的二氧化鈦溶膠。檢測方法配制一定濃度的亞甲基藍(lán)，負(fù)載 TiO2溶膠的不銹鋼片置于亞甲基藍(lán)溶液中，于紫外燈催化下連續(xù)超聲 2 小時(shí)。每 10 分鐘取一個(gè)樣品，靜置 10 分鐘

25、后測定其吸光度,由溶液濃度的變化判斷該樣品的降解效果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容溶液的配制、二氧化鈦溶膠的制備及復(fù)合材料的制備1、亞甲基藍(lán)溶液的配制表 2-3 亞甲基藍(lán)的化學(xué)式及分子量化學(xué)名稱亞甲基藍(lán)化學(xué)式分子量CI6H18ClN3s3H2O(1)配制濃度為 1g/l 的亞甲基藍(lán)溶液：稱取 1.0008g 亞甲基藍(lán)于燒杯中，加蒸儲水，完全溶解后轉(zhuǎn)移至 1L 容量瓶中,加蒸儲水定容、搖勻。(2)配制濃度為 20mg/l 的亞甲基藍(lán)溶液：準(zhǔn)確移取濃度為 1g/l 的亞甲基藍(lán)溶液 20ml 于 1000ml 容量瓶中，加蒸儲水定容、搖勻(3)稀釋 20mg/l 的亞甲基藍(lán)溶液至 10mg/l、8mg/l、6mg/l、

26、4mg/l、2mg/l：分別準(zhǔn)確移取 25ml、20ml、15ml、10ml、5ml 上述(2)中配制的 20mg/l 亞甲基藍(lán)溶液至 50ml 容量瓶中，加蒸儲水定容、搖勻。2、二氧化鈦及其負(fù)載的制備表 2-4 所用試劑的分子式及分子量化學(xué)名稱鈦酸四釘脂無水乙醇冰醋酸分子式Ti(OC4H9)4C2H50HC2H4。2分子量(1)準(zhǔn)確移取 80ml 無水乙醇，加入三口瓶中，將準(zhǔn)確量取的 20ml 鈦酸四釘脂于三口瓶中；現(xiàn)象：溶液呈無色。(2)向三口瓶中，準(zhǔn)確量取 6ml 去離子水加入其中形成混合液；現(xiàn)象：溶液呈無色。(3)將三口瓶置于水浴中；(4)在機(jī)械攪拌下，連續(xù)滴加冰醋酸滴加速度控制在 2

27、3ml/min,冰醋酸共計(jì) 8ml;現(xiàn)象：溶液呈透明的淡黃色。(5)連續(xù)攪拌 2h 使溶液混合均勻；(6)靜置，即可得到二氧化鈦溶膠；(7)量取 5mlTiO2溶膠運(yùn)用干燥噴霧器噴涂于 15X5cm 的不銹鋼片上，分別以450C,500C,550c 在馬弗爐(調(diào)節(jié)式測溫控制器)煨燒 2 小時(shí)， 重復(fù)上述操作即噴涂與煨燒共四次。3、氧化鋅-二氧化鈦及其負(fù)載的制備表 2-5 所用試劑的分子式及分子量化學(xué)名稱氧化鋅二氧化鈦分子式分子量ZnOTiO2(1)將上述制備的 TiO2溶膠準(zhǔn)確量取 15ml 于 50ml 燒杯中 1;(2)準(zhǔn)確稱取氧化鋅于燒杯 1 中；(3)將燒杯 1 置于磁力攪拌器上，使溶

28、膠混合均勻；(4)量取 5ml 上述復(fù)合氧化鋅的溶膠運(yùn)用干燥噴霧器噴涂于 15X5cm 的不銹鋼片上，分別以 350C,400C,450C,500C,550c 在馬弗爐(調(diào)節(jié)式測溫控制器)煨燒 2 小時(shí)，重復(fù)上述操作即噴涂與煨燒共四次。4、氧化鋁-二氧化鈦及其負(fù)載的制備表 2-6 所用試劑的分子式及分子量化學(xué)名稱氧化鋁二氧化鈦分子式分子量Al2O3TiO2(1)將上述制備的 TiO2溶膠準(zhǔn)確量取 15ml 于 50ml 燒杯 2 中；(2)準(zhǔn)確稱取氧化鋁于燒杯 2 中；(3)將燒杯 2 置于磁力攪拌器上，使溶膠混合均勻；(4)量取 5ml 上述復(fù)合氧化鋁的溶膠運(yùn)用干燥噴霧器噴涂于 15X5cm

29、 的不銹鋼片上，分別以 350C,400C,450C,500C,550c 在馬弗爐(調(diào)節(jié)式測溫控制器)煨燒 2 小時(shí)，重復(fù)上述操作即噴涂與煨燒共四次。5、氧化鐵-二氧化鈦及其負(fù)載的制備表 2-7 所用試劑的分子式及分子量化學(xué)名稱氧化鐵二氧化鈦分子式分子量Fe2O3TiO2(1)將上述制備的 TiO2溶膠準(zhǔn)確量取 15ml 于 50ml 燒杯 3 中；(2)準(zhǔn)確稱取氧化鐵 g 于燒杯 3 中；(3)將燒杯 3 置于磁力攪拌器上，使溶膠混合均勻；(4)量取 5ml 上述復(fù)合氧化鐵的溶膠運(yùn)用干燥噴霧器噴涂于 15X5cm 的不銹鋼片上，分別以 350C,400C,450C,500C,550c 在馬弗

30、爐(調(diào)節(jié)式測溫控制器)煨燒 2 小時(shí)，重復(fù)上述操作即噴涂與煨燒共四次。復(fù)合材料的降解效果檢測1、波長的定位移取蒸儲水至比色皿中，基線校零；用 2 中 1-(2)配制的 20mg/l 亞甲基藍(lán)溶液掃描波譜，取波峰 665 為最大波長。2、工作曲線的繪制設(shè)定波長為 665nm,分別測定中 1-(3)稀釋的溶液的吸光度表 2-8 工作曲線繪制數(shù)據(jù)濃度 g/l吸光度根據(jù)圖 2-2 中亞甲基藍(lán)工作曲線，得出濃度 g/l 與吸光度 A 之間的線性關(guān)系為Y=0.0404+*X3、氧化鋅-二氧化鈦的光催化效果準(zhǔn)確量取 5mg/l 的亞甲基藍(lán)溶液 200ml 于 500ml 長方體盒子中，分別將不同溫度焙燒的不

31、銹鋼片上負(fù)載的氧化鋅-二氧化鈦復(fù)合溶膠置于長方體盒子中，將長方體盒子放入超聲清洗器里，使其連續(xù)超聲，將紫外燈管插入溶液中。每 10min 取一個(gè)樣品,靜置 10min 后測定其吸光度。4、氧化鋁-二氧化鈦的光催化效果準(zhǔn)確量取 5mg/l 的亞甲基藍(lán)溶液 200ml 于 500ml 長方體盒子中，分別將不同溫度焙燒的不銹鋼片上負(fù)載的氧化鋁-二氧化鈦復(fù)合溶膠置于長方體盒子中，將長方體盒子放入超聲清洗器里，使其連續(xù)超聲，將紫外燈管插入溶液中。每 10min 取一個(gè)樣品,靜置 10min 后測定其吸光度。5、氧化鐵-二氧化鈦的光催化效果準(zhǔn)確量取 5mg/l 的亞甲基藍(lán)溶液 200ml 于 500ml

32、長方體盒子中，分別將不同溫度焙燒的不銹鋼片上負(fù)載的氧化鐵-二氧化鈦復(fù)合溶膠置于長方體盒子中，將長方體盒子放入超聲清洗器里，使其連續(xù)超聲，將紫外燈管插入溶液中。每 10min 取一個(gè)樣品,靜置 10min 后測定其吸光度。第三章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 二氧化鈦溶膠光催化的結(jié)果利用 TU-1810 型紫外可見分光光度計(jì)測得在三種焙燒溫度的 TiO2,降解亞甲基藍(lán)溶液 140 分鐘后，得到樣品的吸光度如下：表 3-1TiO2降解的亞甲基藍(lán)吸光度時(shí)間 t(min)吸光度(A)450c500c550c020406080100120140通過中圖2-2所示的亞甲基藍(lán)溶液的工作曲線， 將實(shí)驗(yàn)測得的吸光度A轉(zhuǎn)換

33、為濃度mg/l與催化時(shí)間 t/min 時(shí)間的關(guān)系，如下表所示：表 3-2TiO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)濃度 C(mg/l)450c500c550c020406080100120140根據(jù)表 3-2 的數(shù)據(jù)利用 Origin 軟件做出 TiO2復(fù)合材料，光催化降解亞甲基藍(lán)的濃度變化與時(shí)間的關(guān)系圖如下：由圖 3-1 可知：光催化降解過程中，加入 TiO2后，焙燒溫度為 450C、500C,550c 的樣品，在催化 0-80min 內(nèi)降解速率有明顯增加，80min 以后降解效果不明顯;其中焙燒溫度450c 的樣品降解效果最佳。三種復(fù)合材料的比較氧化鋅-二氧化鈦利用 TU-1

34、810 型紫外可見分光光度計(jì)測得在四種焙燒溫度下的 ZnO-TiO2,降解亞甲基藍(lán)溶液 140 分鐘后，得到樣品的吸光度如下：表 3-3ZnO-TiO2降解的亞甲基藍(lán)吸光度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)吸光度(A)350c400c450c500c020406080100120140過中圖 2-2 所示的亞甲基藍(lán)溶液的工作曲線，將實(shí)驗(yàn)測得的吸光度 A 轉(zhuǎn)換為濃度 mg/l 與催化時(shí)間 t/min 時(shí)間的關(guān)系，如下表所示：表 3-4ZnO-TiO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間的關(guān)系020406080100120140根據(jù)表 3-4 的數(shù)據(jù)利用 Origin 軟件做出 ZnO-TiO2復(fù)合材料， 光催化

35、降解亞甲基藍(lán)的濃度變化與時(shí)間的關(guān)系圖如下：圖 3-2ZnO-TiO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間由圖 3-2 可知：光催化降解過程中，加入 ZnO-TiO2后，亞甲基藍(lán)溶液降解效果明顯增加；焙燒溫度為 350C、400C450C、500c 的樣品，在催化 0-40min 內(nèi)降解速率有明顯增加，40min 以后降解效果不明顯；其中焙燒溫度 350c 的樣品降解效果最佳。氧化鋁-二氧化鈦利用 TU-1810 型紫外可見分光光度計(jì)測得在四種焙燒溫度下的 Al2O3-TiO2,降解時(shí)間 t(min)350c濃度 C(mg/l)400c450c500c亞甲基藍(lán)溶液四個(gè)小時(shí)后，得到樣品的吸光度如下：表 3-6

36、Al203-TiO2降解的亞甲基藍(lán)吸光度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)吸光度(A)350c400c450c500c020406080100120140通過中圖2-2所示的亞甲基藍(lán)溶液的工作曲線， 將實(shí)驗(yàn)測得的吸光度A轉(zhuǎn)換為濃度mg/l與催化時(shí)間 t/min 時(shí)間的關(guān)系，如下表所示：表 3-7AI2O3-TQ2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)濃度 C(mg/l)350c400c450c500c020406080100120140根據(jù)表 3-6 的數(shù)據(jù)利用 Origin 軟件做出 Al2O3-TiO2復(fù)合材料，光催化降解亞甲基藍(lán)的濃度變化與時(shí)間的關(guān)系圖如下：圖 3-3Al2O3-T

37、iO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間由圖 3-3 可知：光催化降解過程中，加入 AI2O3-TQ2后，亞甲基藍(lán)溶液降解效果明顯增加；焙燒溫度為 350C400C450C、500c 的樣品，在催化 0-40min 內(nèi)降解速率有明顯增加，40min 以后降解效果不明顯；其中，350C 焙燒溫度下的 AI2O3-TQ2復(fù)合材料降解效果最好，催化活性有明顯增加。氧化鐵-二氧化鈦利用 TU-1810 型紫外可見分光光度計(jì)測得在四種焙燒溫度下的 Fe2O3-TiO2,降解亞甲基藍(lán)溶液四個(gè)小時(shí)后，得到樣品的吸光度如下：表 3-7Fe2O3-TiO2降解的亞甲基藍(lán)吸光度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)吸光度(A)35

38、0c400c450c500c020406080100120140通過中圖2-2所示的亞甲基藍(lán)溶液的工作曲線， 將實(shí)驗(yàn)測得的吸光度A轉(zhuǎn)換為濃度mg/l與催化時(shí)間 t/min 時(shí)間的關(guān)系，如下表所示：表 3-8Fe2O3-TiO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)濃度 C(mg/l)350c400c450c500c020406080100120140根據(jù)表 3-8 的數(shù)據(jù)利用 Origin 軟件做出 F&O3-TiO2復(fù)合材料，光催化降解亞甲基藍(lán)的濃度變化與時(shí)間的關(guān)系圖如下：-20020406050100120140t/min圖 3-4Fe2O3-TiO2降解的亞甲基藍(lán)濃度與

39、時(shí)間由圖 3-4 可知： 光催化降解過程中， 加入 Fe2O3-TiO2后， 亞甲基藍(lán)溶液降解效果增加；焙燒溫度為 350C、400C、450C500c 的樣品，在催化 0-40min 內(nèi)降解速率有明顯增加，40min 以后降解效果不明顯； 其中， 350c 焙燒溫度下的 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料降解效果較好，催化活性增加。3.2.4 二氧化鈦與三種復(fù)合材料的降解效果比較:根據(jù)圖 3-1、圖 3-2、圖 3-3、圖 3-4 表現(xiàn)出二氧化鈦與三種復(fù)合材料的降解效果，選出每種材料催化活性最佳的焙燒溫度，分別為：350C 的 TiO2、350c 的 ZnO-TiO2、焙燒溫度對光催化活性的影響不

40、同焙燒溫度對復(fù)合物的活性和穩(wěn)定性均有較大影響。從以上三種復(fù)合物催化活性與時(shí)間的關(guān)系圖可以看出，在不同溫度焙燒制的納米復(fù)合氧化物均表現(xiàn)出一定的催化活性。圖 3-1 中，在不同溫度下焙燒制得的 TiO2在 450c 催化效果最高。這是因?yàn)?450c 焙燒制得的 TiO2基本結(jié)晶完好，且晶粒尺寸較小，比表面積大。當(dāng)焙燒溫度超過 450C 時(shí)，光催化劑活性隨著焙燒溫度的升高而減小，主要是因?yàn)殡S著焙燒溫度的升高，催化劑晶粒逐漸變大，比表面積卻逐漸減小，從而導(dǎo)致催化活性下降。圖 3-2 中可看出， 在不同溫度下焙燒制得的 ZnO-TiO2納米復(fù)合氧化物催化效果比較明顯，其中 350c 焙燒的 ZnO-Ti

41、O2催化效果最高。這是因?yàn)?350c 焙燒制得的 ZnO-TiO2基本結(jié)晶完好，且晶粒尺寸較小，比表面積大。當(dāng)焙燒溫度超過 350c 時(shí)，光催化劑活性隨著焙燒溫度的升高而減小，主要是因?yàn)殡S著焙燒溫度的升高，催化劑晶粒逐漸變大，比表面積卻逐漸減小，從而導(dǎo)致催化活性下降。在圖 3-3 中， 焙燒溫度為 350C、 450c 制彳#的 AI2O3-TQ2復(fù)合材料有明顯的降解效果，焙燒溫度為 400C500c 的復(fù)合材料催化活性不穩(wěn)定，隨催化時(shí)間變化比較大。從圖 3-4 中可看出，對于 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料，焙燒溫度為 500c 時(shí)，催化劑結(jié)晶度比較低，導(dǎo)致催化活性不高。焙燒溫度為 350c

42、時(shí)，F(xiàn)e2O3-TiO2復(fù)合材料降解效果比較好，表明 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料的催化活性在焙燒溫度為 350c 時(shí)比較活躍。溶液 pH 對光催化活性的影響準(zhǔn)確量取 200ml 亞甲基藍(lán)溶液至 300ml 的長方體盒子里，用干燥噴霧器將Fe2O3-TiO2復(fù)合材料負(fù)載在不銹鋼片上，焙燒溫度為 350c 的 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料放在長方體盒子里，在紫外光催化下，用超聲清洗器超聲，每 10 分鐘取一次樣品，靜置 10min 后測定其吸光度，數(shù)據(jù)和圖表如下：表 3-9 不同 pH 亞甲基藍(lán)的吸光度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)吸光度 ApH=1pH=4pH=10pH=140200.2154

43、00.0980.073600.0800.062800.0670.0401000.0570.0471200.0560.0421400.1240.0520.040通過中圖 2-2 所示的亞甲基藍(lán)溶液的工作曲線，將實(shí)驗(yàn)測得的吸光度 A 轉(zhuǎn)換為濃度 mg/l 與催化時(shí)間 t/min 時(shí)間的關(guān)系，如下表所示：表 3-10 不同 pH 亞甲基藍(lán)的濃度與時(shí)間的關(guān)系時(shí)間 t(min)濃度 C(mg/l)pH=1pH=4pH=10pH=14020406080100120140根據(jù)表 3-10 的數(shù)據(jù)利用 Origin 軟件做出焙燒溫度為 350c 白 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料， 光催化降解亞甲基藍(lán)的濃度變化

44、與時(shí)間的關(guān)系圖如下：圖 3-6 不同 pH 亞甲基藍(lán)的濃度與時(shí)間的關(guān)系不同 pH 的亞甲基藍(lán)溶液對復(fù)合材料光催化活性也有一定影響。如圖 3-6 所示，焙燒溫度為 350C 的 Fe2O3-TiO2復(fù)合材料，在溶液 pH=1 時(shí)，催化劑活性增加，有明顯降解效果，這是因?yàn)?，?dāng)溶液在酸性條件下催化時(shí)，隨著催化時(shí)間的增加，不斷產(chǎn)生氫離子，溶液變酸，導(dǎo)致催化劑活性升高。溶液 pH=4 時(shí)，降解程度隨催化時(shí)間增加而增加，且增加速率比較慢，溶液 pH=10 時(shí)，降解速率比較緩快，催化劑晶型結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，隨著催化時(shí)間的增加催化效果會愈加明顯。pH=14時(shí)，溶液中氫氧根離子隨著催化的進(jìn)行，逐漸減少，溶液變酸，催化

45、劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，當(dāng)催化時(shí)間增加使溶液 pH 降低到小于 4 時(shí)，催化劑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，催化活性降低。Us圖 3-7 不同 pH 亞甲基藍(lán)濃度取對數(shù)與時(shí)間的關(guān)系我們僅以溫度因素來計(jì)算它的動力學(xué)參數(shù)，假設(shè)降解亞甲基藍(lán)的反應(yīng)為一級反應(yīng)，則動力學(xué)方程可以用下式表示：kCA=-dCA/dTdCA/dT=kCAdCA/CAkdTInCAkt+b-InCAO/CAkt+b從公式中可知 IRCAO/CA和 t 是成比例的，斜率為 Ko 我們只需以 IRCAO/CA對 t 作圖，從中就可得出動力學(xué)常數(shù) Ko表 3-11F%O3-TiO2降解的亞甲基藍(lán)的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)Ph 值反應(yīng)速率方程K(s-1)R1In(CA0/CA

46、)=E-4*t+4In(CA0/CA)=E-4*t+10In(CA0/CA)=E-4*t+4.75825E-414In(CA0/CA)=E-4*t+5.06736E-4第四章結(jié)論與展望通過對三種不同二氧化鈦復(fù)合材料光催化降解的效果進(jìn)行比較，得出如下結(jié)論：Al2O3-TiO2復(fù)合材料的光催化效果明顯增加。ZnO-TiO2復(fù)合材料的降解效果次之，F(xiàn)&O3-TQ2復(fù)合材料的降解效果較差一點(diǎn)。200040006000800010000(2)不同焙燒溫度對復(fù)合物的活性和穩(wěn)定性均有較大影響。350c 焙燒的 Al2O3-TiO2催化效果最好。焙燒溫度為 350C、400c 制得的 ZnO-TiO2

47、復(fù)合材料有降解效果，焙燒溫度為 450C500c 的復(fù)合材料催化活性不穩(wěn)定， 隨催化時(shí)間變化比較大。 焙燒溫度為 300c時(shí)，催化劑催化活性不高。焙燒溫度為 350c 時(shí)，F(xiàn)&O3-TQ2復(fù)合材料降解效果比較好，表明 F&O3-TQ2復(fù)合材料的催化活性在焙燒溫度為 350c 時(shí)比較活躍。(3)比較三種復(fù)合材料的降解效果，得出：350c 焙燒的 AI2O3-TQ2降解效果最佳。(4)不同 pH 對復(fù)合材料光催化活性也有一定影響。當(dāng)溶液PH10-14之間時(shí)，催化活性較高。溶液呈堿性，溶液中產(chǎn)生大量氫離子，與溶液中的氫氧根離子相互中和，溶液趨于中性，催化效果最好。雖然光催化氧化技術(shù)發(fā)展不是很完善，但由于其反應(yīng)條件溫和、操作條件容易控制、氧化能力強(qiáng)、無二次污染，加之 TiO2化學(xué)穩(wěn)定性高、無毒等優(yōu)點(diǎn)，使光催化氧化技術(shù)仍是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新型水污染處理技術(shù)。今后的光催化氧化技術(shù)將集中于負(fù)載型