新型TiO2復(fù)合光催化劑的制備及其處理有機(jī)廢水性能研究.pdf

1、水污染問題已成為21世紀(jì)影響人類生存與發(fā)展的重大問題。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)存在著不同程度的耗資大、處理速度慢、凈化不徹底和容易造成再次污染等問題，因此，探索和研究更為經(jīng)濟(jì)和有效的污水處理新技術(shù)和新方法已成為國際上廣泛關(guān)注的重大課題。光催化氧化技術(shù)被認(rèn)為是最具有應(yīng)用潛力的污水處理方法之一，已成為該領(lǐng)域的研究熱點。在諸多光催化材料中，TiO2由于具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無毒、成本低和抗光腐蝕等優(yōu)點而被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的光催化材料。但TiO2量子效

2、率低，光生電子與空穴容易復(fù)合；帶隙能高，僅能吸收太陽光中的紫外部分，導(dǎo)致其光催化效率不高。因此，本論文以提高 TiO2量子效率和拓寬TiO2光譜響應(yīng)范圍為目的，通過對TiO2進(jìn)行改性，分別制備了具有高光催化效率的二元或三元 TiO2復(fù)合光催化劑，詳細(xì)表征了其結(jié)構(gòu)、形貌、表面物理化學(xué)性質(zhì)和光吸收特性，系統(tǒng)研究了其光催化行為，并探討了其處理各種有機(jī)廢水光催化活性提高的原因。具體研究內(nèi)容如下：
　　1.以非離子型表面活性劑為模板劑采用蒸

3、發(fā)誘導(dǎo)自組裝(EISA)法，制備了一系列不同WO3含量的有序介孔WO3-TiO2復(fù)合材料。通過小角X-射線散射、廣角X-射線衍射、透射電子顯微鏡、比表面及孔特性分析、紫外-可見漫反射光譜、X-射線光電子能譜以及拉曼光譜等測試方法對所制備樣品的孔結(jié)構(gòu)、形貌、表面物理化學(xué)性質(zhì)、光吸收性質(zhì)和組成結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，該材料呈二維六方p6mm對稱和銳鈦礦晶相結(jié)構(gòu)，與無序WO3-TiO2復(fù)合材料相比，其比表面積(152~154 m2/g)

4、更大，孔徑更均一(5.3 nm)，其比純TiO2的帯隙寬度(3.0 eV)更窄。將該 WO3-TiO2樣品用于可見光光催化降解水中有機(jī)污染物羅丹明B(RB)和2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)的反應(yīng)中，研究表明，當(dāng)WO3摻雜量為3.49％時，WO3-TiO2復(fù)合材料的可見光活性最高。而且，有序介孔WO3-TiO2樣品的可見光光催化活性比無序的樣品和純 TiO2的更高，本文對這種活性提高的原因進(jìn)行了合理分析。
　　2.以三嵌段非離子

5、表面活性劑 P123為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑采用直接共縮合溶膠-凝膠結(jié)合水熱處理技術(shù)，成功制備出了介孔graphene-TiO2復(fù)合材料。其晶相結(jié)構(gòu)、形貌、表面物化性質(zhì)、光吸收性質(zhì)以及組成結(jié)構(gòu)信息通過 X-射線粉末衍射、透射電鏡、掃描電鏡、比表面及孔特性分析、紫外-可見漫反射、拉曼光譜和X-射線光電子能譜進(jìn)行了詳細(xì)的表征。結(jié)果表明，該復(fù)合材料呈三維交聯(lián)介孔形貌和銳鈦礦與板鈦礦的混合晶相結(jié)構(gòu)，與純 TiO2相比，該復(fù)合材料具有更大的比表面積、更均一的

6、孔徑和更窄的帶隙寬度。分別在模擬太陽光和可見光下通過羅丹明B和涕滅威的降解實驗對graphene-TiO2復(fù)合材料的光催化活性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，適量石墨烯的摻雜可提高 TiO2的光催化活性，本文對這種活性提高的原因進(jìn)行了初步探討。
　　3.在前期工作基礎(chǔ)上，以三嵌段非離子型表面活性劑P123為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑采用直接共縮合溶膠-凝膠結(jié)合水熱處理技術(shù)成功制備了 graphene-TiO2/SiO2三元復(fù)合材料，并對其介孔結(jié)構(gòu)、形貌、表

7、面性質(zhì)、光吸收性質(zhì)和組成結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行了詳細(xì)表征。結(jié)果表明，通過本方法合成的graphene-TiO2/SiO2三元復(fù)合材料呈二維六方p6mm對稱和銳鈦礦晶相結(jié)構(gòu)，孔徑分布均一，孔體積和比表面積均較無序的大。以環(huán)境內(nèi)分泌干擾物阿特拉津為目標(biāo)污染物研究了graphene-TiO2/SiO2復(fù)合材料在模擬太陽光條件下的光催化活性。結(jié)果表明，當(dāng)graphene的摻雜量為1%，TiO2:SiO2摩爾比為4:1時，graphene-TiO2/SiO

8、2的光催化活性最高。此外，graphene-TiO2/SiO2三元體系的光催化活性明顯優(yōu)于二元體系(graphene/TiO2或 TiO2/SiO2)及純 TiO2。本文對此類復(fù)合材料光催化活性提高的原因進(jìn)行了詳細(xì)探討，并且對阿特拉津降解的中間產(chǎn)物進(jìn)行了分析，并提出降解機(jī)理。
　　4.在前期工作基礎(chǔ)上，通過一步水熱合成法，制備出了石墨烯和電氣石共摻雜二氧化鈦復(fù)合催化劑(G/T-TiO2)。所得復(fù)合催化劑為銳鈦礦晶相結(jié)構(gòu)，具有三維交

9、聯(lián)的介孔形貌。通過模擬太陽光下降解羅丹明B評價了G/T-TiO2的光催化活性，并考察了其在實際富營養(yǎng)化水體中光催化殺藻的活性。羅丹明 B的光催化降解表明，G/T-TiO2三元體系的光催化活性明顯優(yōu)于二元體系(G-TiO2或T-TiO2)及純 TiO2。光催化殺藻研究表明，G/T-TiO2復(fù)合材料表現(xiàn)出極高的殺藻活性，但是與純 TiO2相比，并沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，此結(jié)果與光催化降解 RB不同。因此，本文對這種活性的提高以及光催化殺藻規(guī)律不