可分离钛基复合光催化剂的制备及其在有机污染物降解中的应用研究

发布时间：2020-10-14 13:10

　　 水体污染造成的食品安全及人类健康问题已逐渐引起人们的关注,其中的持久性有机污染物更是稳定且难以彻底清除,因而高效的有机污染物处理技术亟需发展。二氧化钛(TiO_2)半导体光催化技术能将其转化为二氧化碳(CO_2)和水(H_2O)等无污染的小分子,因而极具应用潜力。但纳米TiO_2光催化剂在实际应用过程中任然存在诸如回收再利用困难以及太阳光谱响应范围窄的问题。为了解决这些问题,本论文基于光催化主体TiO_2,引入磁性纳米材料,合成了多功能钛基复合光催化剂,赋予其可分离回收的能力。同时,通过合理的结构调控以及与银纳米颗粒(AgNPs)、氮化碳(C_3N_4)和上转换纳米材料NaYF_4:Yb,Tm(UCNP)结合,使其具有更好的太阳光利用能力。最后,本文选择极具代表性的水体有机污染物甲基橙(methyl orange,MO)等染料作为降解模型,研究了所制备的复合材料的光催化降解能力。具体研究内容如下:1.花状核壳结构复合光催化剂Fe_3O_4@nanosheet-TiO_2(Fe_3O_4@ns-TiO_2)的构建合成及其对有机污染物的紫外(UV)光催化降解研究。通过水热法合成了Fe_3O_4纳米颗粒,然后基于溶胶-凝胶法获得了三明治核壳结构Fe_3O_4@SiO_2@TiO_2,成功的将磁性组分引入。再通过碱液水热刻蚀并辅以离子交换和煅烧处理的方法制备了花状的核壳微球Fe_3O_4@ns-TiO_2,并对其形貌及结构等进行了相关的表征分析。在MO的光催化降解实验中,复合光催化剂显示出了强于Fe_3O_4@hollow-TiO_2(Fe_3O_4@h-Ti O_2)的紫外光催化活性,且其光催化降解速率常数k是商业P25的1.64倍。进一步实验研究表明制备的Fe_3O_4@ns-TiO_2光催化剂具有良好的可回收再利用性能。2.可见(VIS)光增强光催化活性的复合光催化剂Fe_3O_4@ns-TiO_2/Ag/C_3N_4的构建合成及其对有机物的光催化降解研究。通过化学还原方法在Fe_3O_4@ns-TiO_2中的TiO_2纳米片表面沉积上了5±3 nm的AgNPs,然后与尿素混合在高温下煅烧处理,获得了Fe_3O_4@ns-TiO_2/Ag/C_3N_4。MO光降解实验表明,该复合光催化剂具有可见光增强的光催化活性,且其在全波长光照射下的k值为0.12723 min~(-1),是Fe_3O_4@ns-TiO_2的2.36倍,更是P25的3.64倍。该复合光催化剂任然保持了良好的回收再利用性能。最后推测了Fe_3O_4@ns-TiO_2/Ag/C_3N_4的可见光催化机理:即在VIS光照射下,C_3N_4产生光生电子且定向迁移到TiO_2或被AgNPs捕获后转移到TiO_2而产生光催化降解作用;同时,沉积在TiO_2表面的AgNPs起到了电子传导桥的重要作用,其表面的等离子体共振效应也可以增强可见光吸收。3.近红外(NIR)光增强光催化活性的复合光催化剂(Fe_3O_4-UCNP)@TiO_2的构建合成及其对有机物的光催化降解研究。通过一种静电相互作用与溶胶-凝胶法相结合的新方法,设计合成了复合光催化剂(Fe_3O_4-UCNP)@TiO_2。在全波长光催化降解实验中,该复合光催化剂能在50 min内将溶液中的亚甲基蓝(methylene blue,MB)降解71.7%,光降解速率常数是P25的1.65倍。NIR光催化实验结果和光学性质的测试分析表明,该复合光催化剂能够通过UCNP将近红外光转换为紫外光间接的驱动TiO_2产生光催化降解作用。最后的磁滞回线表征及循环实验结果表明所制备的(Fe_3O_4-UCNP)@TiO_2光催化剂也具有良好的回收再利用性能。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X592;O643.36
【部分图文】：

第一章 绪论（conduction band，CB）上成为光生电子（e-）；”，即为光生空穴（h+）。该带间跃迁过程成功的产2半导体电子能带的不连续性，激发产生的电子和）[25]。它们会通过扩散的方式进行以下两种可能复合，即电子空穴对在迁移途中发生的体内复合，并通过热量或发光的方式释放能量；二是光生电催化反应，形成中间产物或最终产物，即表面吸附还原反应，或者迁移到表面的空穴夺取吸附物质

三维树枝状 TiO2纳米结构的 SEM 图：纳米棒（a-c）、纳米带（d-f）和纳米线（g-i）元构成的三维 TiO2微球-2 SEM images of 3D dendritic TiO2nanostructures: 3D TiO2microspheres with nanorod bunits(a-c), with nanoribbon building Units (d-f) and with nanowire building units (g-i)iO2光谱响应范围延展概况阳是人类最主要的能量来源之一，每年到达地球表面的能量大约相当于全数的一万倍。如果能有效利用太阳光作为清洁可持续能源，能为人类创造且减少污染的时代。因而，对于环境污染严重、能源枯竭的今天，充分利行半导体光催化技术是具有重要现实意义的。众所周知，UV 光能量不超的 5%，而 VIS 光和 NIR 光含有大约 90%的太阳光能量。TiO2由于其较宽eV），只能被进入地球上的太阳光谱中的约 5%的紫外线或近紫外线辐射激作用。近几十年来，为了有效地利用太阳光谱中涵盖的其它光区，许多研 或 NIR 光响应光催化剂的设计和开发之路上努力前行着。见光区增强光催化

Fe3O4@ns-TiO2光催化材料的合成过程示意图
【参考文献】

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1 郭婷;谢春燕;秦吉龙;张青;童志平;孟涛;;光控亲/疏水转换的硅钛核壳型微颗粒制备易清洗防晒霜研究[J];功能材料;2015年01期

2 彭亚拉;张睿梅;;我国水污染加剧及水生态破坏致食品安全堪忧[J];环境保护;2007年18期

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1 王平;不同形貌TiO_2纳米材料的合成及其光电性质研究[D];吉林大学;2009年

本文编号：2840708