磁场对光催化反应的影响研究

发布时间：2020-11-05 12:44

　　 环境污染和能源短缺制约人类可持续发展的脚步。寻求一种清洁、节能、高效的化学工艺成为现如今最迫切的需求。TiO_2光催化剂凭借其高的化学稳定性、耐腐蚀性和热稳定性等特点,被人们认定为是具有良好发展前景的环保类光催化材料,但其最大的缺点在于TiO_2带隙能量与太阳光光谱之间的匹配度较少,其潜力和可持续技术尚未被完全开发。本文基于上述原因,从内部因素和外部条件两个角度出发,充分探究影响TiO_2光催化的主要因素,并通过掺杂不同磁导率离子合成复合催化剂,探究其在外加场——磁场条件下的光催化性能变化,具体工作如下:(1)基于正交试验的原则,针对催化剂粒径尺寸、催化剂用量、溶液pH值和磁场强度大小这4个影响因素分别设置3个水平程度,构成9组条件不同的光催化实验。三种不同粒径大小的TiO_2样品均主要为锐钛矿结构,其比表面积随着粒径增大而呈现减小的趋势,形貌规则度也有所下降。选取紫外光照60 min时的降解数据进行光催化分析,通过直观计算和方差分析计算可以得出4个因素的重要性排序为:粒径尺寸最为重要,磁场强度和催化剂用量较为重要,而pH值的影响则最小。所以,结合两者得出最佳的实验组合为:25 nm的TiO_2 150 mg,pH=7,磁场强度为0.1 T。(2)使用粒径尺寸25 nm的TiO_2为载体,通过浸渍法制备不同掺杂比例的复合催化剂,并标记为0.5%、1.0%、2.0%、5.0%M/TiO_2(M=La~(3+);Ni~(2+);Cu~(2+))。通过表征发现,掺杂离子对应的氧化物在TiO_2样品的表面呈现高度分散状态,其高掺杂浓度下的实际掺杂比例与理论掺杂值基本保持一致。此外,3个掺杂系列对应的催化剂比表面积均小于掺杂前,吸脱附等温线的类型为IV型,滞后环为H3,表现为粒子堆积形成的狭缝孔。同时由于掺杂离子磁导率的不同,所形成复合催化剂在磁场作用下的光催化呈现出不同的规律。(3)将3个系列样品在0.2 T条件下进行光催化实验,镧掺杂和镍掺杂中最佳掺杂比例样品(1.0%La~(3+)/TiO_2;0.5%Ni~(2+)/TiO_2)的光催化效果均小于纯TiO_2的光催化效果,而最佳掺杂比的铜掺杂样品(0.5%Cu~(2+)/TiO_2)则基本与纯TiO_2的光催化效率保持一致。总体来说,3个最佳掺杂比例样品在磁场条件下的光催化活性都强于未添加磁场时的光催化活性,但改变外加磁场强度从0.05 T至0.3 T变化,1.0%La~(3+)/TiO_2的光催化性能呈现先升后降的规律,在0.2 T时具有最大一级动力学常数;0.5%Ni~(2+)/TiO_2的光催化性能一直降低,光催化性能最优时对应的磁场强度为0.05 T;0.5%Cu~(2+)/TiO_2的光催化规律与1.0%La~(3+)/TiO_2相一致,但铜掺杂样品在0.3 T下的光催化性能提高幅度优于镧掺杂样品的情况。
【学位单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.32;O644.1
【部分图文】：

在全球范围内，人们生活环境受到了一定的污染和破坏，而清洁和自然能源则相对缺乏。这两大最严重的问题使得人类可持续发展的脚步受到了一定程度的制约[1-6]。一方面，世界人口数量持续增加，工业化发展加速，导致了能源消耗的增大；另一方面，工业废水、废气排放量并未得到降低，它们进入空气和水路，造成严重的污染，全球变暖严重，气候变化异常。所以寻求一种清洁、节能、高效的化学工艺成为现如今最迫切的需求。半导体光催化技术，主张利用太阳能实现化学能的有效转化和储存，提供了一种绿色、环保的消除有毒有害污染物的方式，成为应对挑战的重要手段之一。所以，在最近的十几年间，有关光催化方方面面的探究工作发展十分迅速：从理论上来看，已经基本了解光催化的基础原理，并在一定程度可以对光催化活性进行调控；从日常应用上来看，诸多基于半导体光催化技术的产品也走向了市场，进入到了人们生活的方方面面。其中，TiO2光催化剂凭借其高的化学稳定性、耐腐蚀性和热稳定性等特点，被人们认定为是具有良好发展前景的环保类光催化材料，在污染治理方面应用颇广。而其他具体应用也如图 1.1 所示。

图 1. 2 半导体的光催化反应过程示意[20,21]响光催化活性的因素粒径尺寸关文献证明，半导体的颗粒大小对光催化剂的活性存在一定的影响况下，半导体纳米粒子表现出的光催化活性要远大于普通粒子的作来说，原因有以下三点：第一，纳米粒子呈现出所谓的“量子尺寸径尺寸的减少，半导体会发生一定的改变，即更正的价带电位和更，由此在实验时，电子-空穴对的氧化还原能力也得以提高；第二比表面积通常较大，在暗反应阶段对物质的吸附变强，同时这个特表面的氧空穴数量增多，进一步增加了反应的活性位点；第三，由的厚度一般会比粒子的粒径大，所以进行光催化反应时可以忽略空影响因素的存在，光生载流子也容易从粒子内部扩散到表面发生氧例如，当 TiO粒径尺寸只有 10 nm 时，电子从样品内部扩散到表

中国计量大学硕士学位论文率增加。Sood 等人[59]利用简单的水热法合成了高效的光催化剂 Bi2O3/TiO2，并通过研究氧氟沙星水溶液（25 mg/L，pH = 7）的降解来评价，当 Bi2O3含量为1%，5%，10%时，添加 0.5 g/L 的催化剂，2h 内能分别能降解 50.9%，60%，92.4%的氧氟沙星，远大于纯 TiO2时的 32.5%。另外，对 10% Bi2O3/TiO2催化剂进行循环测试，将每次实验后的催化剂收集、洗涤、过滤，然后在 80℃下干燥过夜，连续三个循环后所获得的降解率仍能保持 78.4%，74%和 73.1%。Wang 等人[60]成功制备出了纳米纤维 TiO2/g-C3N4异质结光催化剂，其 DRS 测试显示样品在紫外和可见光下呈现强烈的吸收，而光电化学实验也证明了电子和空穴的复合受到了抑制，因此利用制备的催化剂对 50 mL 10 mg/L 的罗丹明 B 进行降解，当 TiO2含量增加到 29.30 wt%时，TiO2/g-C3N4具有最佳的光催化降解效率，同时回收样品进行 4 次重复实验，降解率仍能达到 96%。Yan 等人[61]通过水热法在 TiO2纳米管阵列表面成功地合成了 SrTiO3/TiO2异质结构，并利用氢化处理进一步优化异构结构，通过光电化学测试，最好的光电流密度能达到 0.48 mA/cm2。
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本文编号：2871653