可见光响应催化剂的开发及其海水体系中光催化降解有机物过程

发布时间：2020-04-10 08:13

【摘要】：针对海水体系的特点,为了开发可见光响应的高效稳定的光催化剂,本文选用商业化成熟的TiO_2纳米光催化剂(P25)作为研究和改性制备的对象,利用溶剂热还原、水热过程多种手段,在P25结构中引入了异质结结构和Ti~(3+),简便地拓展了 P25纳米光催化剂的可见光响应。结合可见光激发下人工海水中苯酚的光降解过程,关联了热处理条件一催化剂微结构一可见光降解活性三者之间的关系规律。并指出了不同热处理过程,对催化剂中两种关键微结构(异质结结构和Ti~(3+)形成的作用是不同的,最终对改性后P25的可见光响应和可见光下的光降解活性的影响也是不同的。论文的主要研究可以分为几个逐步递进工作内容:在Ti~(3+)自掺杂对TiO_2可见光响应拓展研究基础上,本文首先设计了在还原剂存在下,P25纳米粒子的热还原改性研究。采用抗坏血酸、葡萄糖以及乙醇作为三种还原剂,完成了 P25热还原改性的研究。结果发现,三种还原剂改性后样品纳米粒子表面都出现了无序化结构。虽然抗坏血酸和葡萄糖的还原性能优于乙醇,但由于其分子结构中C元素较多较为不稳定,热处理时分子产生了分解作用。因而,两种还原剂热处理后在P25粒子表面形成了大量的碳沉积,改性后P25光催化剂没有表现可见光降解活性。而乙醇热还原后,P25纳米粒子表面出现了无序化结构并未出现碳沉积现象,从而该改性后P25出现了明显的可见光响应以及可见光激发下的降解活性。第二部分,本文系统研究了乙醇热还原处理过程中不同热还原处理时间和温度对P25纳米粒子微结构和可见光活性的影响规律。发现了乙醇热还原处理后,首先引起TiO_2结晶结构的变化,在P25中引入明显的高暴露(001)晶面和A/R异相结结构,这两种结构会导致TiO_2晶格结构中氧空位的形成。氧空位通过在TiO_2导带和价带之间引入杂质能级的方式拓展TiO_2的可见光响应。另外,乙醇还原后也会在催化剂表面形成无序化结构TiO_2,这导致少量Ti~(3+)结构的生成。这两者的共同作用,使得乙醇改性后的P25具有较为优异的可见光响应和催化活性。当热还原温度从150 ℃上升至180 ℃或者热还原时间从3 h增加至24 h,催化剂中氧空位和Ti~(3+)结构数量都先上升后下降。这是因为高温和长时间的热处理过程,使得TiO_2结晶结构全面生长趋向完美,从而削弱了 TiO_2晶格中的异相结结构,并降低了其可见光的活性。在反应温度为170 ℃和反应时间在6 h乙醇热制备催化剂在可见光下活性最高,对苯酚的降解率达到62.8%。乙醇热还原过程得到了可见光响应的光催化剂,但也表明热还原处理过程引入的Ti~(3+)结构数量非常少,而高暴露(001)晶面和A/R异相结结构产生的氧空位结构是影响改性P25可见光响应和活性的关键因素。本文第三部分研究,直接利用水热过程处理P25,并将其与高温煅烧处理的P25进行对比。结果发现,水热或者乙醇热处理过程中羟基作用是P25晶格结构中形成高暴露(001)晶面和A/R异相结结构的关键因素。水热过程中没有还原剂的存在,因而P25表面没有生成无序化的TiO_2结构,也没有出现Ti~(3+)掺杂现象。但,同样在P25晶格结构中形成高暴露(001)晶面和A/R异相结结构,从而形成氧空位结构而产生可见光响应。而高温煅烧处理后的P25,由于TiO_2结晶结构的全面生长趋于完美结晶,而未能出现晶格畸变形成氧空位结构。也未能出现可见光响应和可见光降解活性。同样,这是因为高温和长时间的热处理过程,使得TiO_2结晶结构全面生长趋向完美,从而削弱了 TiO_2晶格中的异相结结构,并降低了其可见光的活性。170 ℃水热处理6 h后,水热制备催化剂在可见光下活性最高,对苯酚的降解率达到53.7%。但由于没有Ti~(3+)的协同作用,其可见光下的催化活性要弱于乙醇热还原后的P25催化剂。论文最后部分以实际海域中的光催化降解应用为目的,将研究中具有最高可见光降解活性的乙醇热改性P25光催化剂作为活性组分。通过表面处理和硅烷偶联剂结合将其负载于透明的空心有机玻璃球表面,制备得到漂浮型TiO_2/有机玻璃球光催化剂。通过初步实验发现,改性TiO_2/有机玻璃球复合光催化材料可以实现在海水中的悬浮,并在可见光激发下有效降解海水中的微量苯酚。且能保持较好的稳定性同时具有可回收、重复利用率高的优点,这为海域中高毒性有机污染物深度处理提供了较为可行的方法和研究思路。
【图文】：

能带结构

目前半导体光催化材料的晶体能带理论是光催化领域公认的半导体材料光催逡逑化机理［２８］。半导体光催化材料都具有能带结构，Ｔｉ０２光催化半导体一般是由低逡逑能价带、高能导带、禁带组成能带结构，图１．１为Ｔｉ０２的能带结构图。从图中逡逑可以看出，Ｔｉ０２的价带主要是由０的２ｐ和２ｓ轨道杂化而成，导带主要是由Ｔｉ邋３ｄ逡逑轨道组成。充满电子的低能价带（Ｖａｌｅｎｃｅ邋ｂａｎｄ，ＶＢ）和空的高能导带（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ逡逑ｂａｎｄ，ＣＢ）的能量差值被称为禁带，用带隙能Ｅｇ来表示［２９］。Ｔｉ０２的禁带宽度在逡逑３．０－３．２ｅＶ0逡逑价Ｓ子逦能＊逦能＊逡逑Ｐ三逡逑ｓ邋—逦Ｔｉ３ｄ（ｅｉ）邋逦Ｊ）邋Ｔｉ３ｄ（ｅｊ）逡逑ｄ逦Ｔｉ３ｄ（Ｕ｜）二＾）邋Ｔｉ３ｄ（ｔ２ｊ）逡逑逦费米能级逦逡逑ｓ邋—＾a澹撸玻箦鍔:邋＿２Ｓ逡逑分布卿（Ｅ）逡逑＿被eA能级逦｜⑩填充状态逡逑■未尲栛级Ｉ逦0未填~|逡逑图１．１．邋ＴＫ）：：的能带结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｂａｎｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋Ｔｉ０２逡逑激发半导体波长需要满足公式１２４０邋／邋Ｅｇ，如锐钛矿相Ｔｉ０２的禁带宽为３．２逡逑ｅＶ，即当Ｔｉ０２光催化半导体受到小于等于３８７邋ｎｍ紫外光照射时，低能价带中充逡逑满的电子就会激发跃迁到高能导带，形成光生电子（ｅ＿），而价带失去电子形成逡逑光生空穴（ｈ＋）。在电场的作用下，ｅ＾ｈ＋分离并迁移到表面，，与Ｔｉ０２附近物质逡逑发生氧化－还原反应

二氧化钛光催化,机理,空穴

逑迁复合与分离是影响光催化活性的至关重要因素之一［３Ｇ］。逡逑图１．２为Ｔｉ０２半导体材料的光催化反应机理。Ｔｉ０２半导体材料悬浮于溶液逡逑时，当辐射光源能量大于或者等于Ｔｉ０２半导体材料的带隙能时，就会产生光生逡逑电子一空穴对，在电场的作用下光生电子一空穴对沿着不同途径分离与复合。途逡逑径１为光生电子和空穴跃迁到催化剂表面，在催化剂表面复合，途径２为光生电逡逑子和空穴还没来得及跃迁到催化剂表面，就己经复合，这两种途径都是以热量的逡逑方式重新释放出来。途径３和途径４为光生电子一空穴对分离迁移到催化剂表面逡逑过程，是Ｔｉ０２光催化剂产生活性物质的关键两步，途径３是对空穴的有效利用，逡逑空穴本身具有强氧化性，可以直接对污染物进行氧化分解，另外空穴与Ｈ２０或逡逑０Ｈ—反应生成＾ＯＨ自由基，ＡＨ具有很强的氧化性可以使污染物矿化成Ｈ２０和逡逑Ｃ０２
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ426;X55

【参考文献】