中空TiO 2 基异质结光催化剂的构建及其降解抗生素废水研究
发布时间：2021-12-10 19:15
以二氧化钛（TiO2）为代表的光催化降解技术能够直接利用太阳能处理废水,具有重要的应用前景。然而,受限于光生电荷复合率高和可见光吸收弱,TiO2基光催化剂对难降解有机污染物（如抗生素）无法实现可见光高效去除,即使在全光谱辐射下也很难将其完全降解。尽管构建TiO2基异质结光催化剂能有效地促进光生电荷的空间分离和光吸收,但是现有TiO2基异质结仍存在低表面积以及低氧化还原活性位点的技术缺陷。尤其是当TiO2与强可见光吸收的金属氧化物（如α-Fe2O3）构成异质结时,能级的匹配就成为制约高效异质结光催化剂构建的瓶颈。因此,本论文针对TiO2基异质结存在低表面积、低氧化还原活性位点以及能级匹配问题,把中空/多孔结构及限域效应引入到TiO2基异质结光催化剂的设计与合成中,构建了三种高效的中空TiO2基异质结光催化剂,其主要研究内容如下:1.中空SiO2-Fe2O3＠TiO2限域型异质结的构建及其降解抗生素废水研究以阳离子聚苯乙烯微球（CPS）为模板,通过逐步法将Fe2O3包埋在中空内层SiO2和外层TiO2之间的纳米空间,制备出中空SiO2-Fe2O3@TiO2限域型异质结光催化剂。与传统表面负...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国江水中抗生素的检测
中空TiO2基异质结光催化剂的构建及其降解抗生素废水研究2为消除难降解有机污染物的理想手段，具有重要的应用前景[7]。在各种半导体中，二氧化钛（TiO2）因矿化能力高、稳定、无毒和储量丰富等优点成为最实用、普遍的光催化剂[8]。1.2二氧化钛的晶体结构及光催化机制1.2.1晶体结构一般来说，半导体的物理、化学性质和电子结构很大程度上取决于它的晶体结构[9]。在自然界中，TiO2存在三种晶相：锐钛矿、金红石和板钛矿，其中应用于光催化最广泛的是锐钛矿和金红石相TiO2[10]。如图1.2TiO2晶体结构所示，两种相均由TiO6八面体组成，其晶体结构取决于TiO6八面体的连接方式。锐钛矿是由TiO6八面体共顶点组成，而金红石则是由TiO6八面体共顶点且共边组成[11]。不同的晶体具有其独特的原子或离子的周期排列和相应的配位环境及化学键合，从而形成了独特的能带结构[12]。理论计算和实验测量都表明它们的能带排列不同。金红石和锐钛矿TiO2的带隙分别为3.02和3.20eV。光吸收和电子-空穴对的产生都与半导体的能带结构相关[13]。与锐钛矿相比，金红石的带隙更窄，可以将其光吸收扩展到更长的波长[14]。然而，金红石的光催化活性通常低于锐钛矿，主要是由于锐钛矿具有更强的氧化能力和表面吸附能力[11]。图1.2TiO2不同相的晶体结构：锐钛矿（a），金红石（b）。Figure1.2ThecrystalstructureofTiO2:anatase(a),rutile(b).
江苏大学硕士学位论文31.2.2光催化机制半导体是一种介于导体和绝缘体之间，具有一定导电性的材料。半导体独特的电子特性在于其价带（VB）和导带（CB）。半导体的VB是由最高占据分子轨道（HOMO）的相互作用而成，而CB是由最低未占据分子轨道（LUMO）的相互作用而成[11]。在VB的顶部和CB的底部之间不存在电子态。CB和VB之间的能级范围被称为禁带（也称为能隙或带隙），通常表示为Eg[15]。对于半导体光催化剂，其能带结构包括带隙以及VB和CB位置是最重要的性能之一，因为它决定了半导体的光吸收特性以及氧化还原能力。如图1.3所示，一个典型的光催化过程包含三个步骤：（i）催化剂受高于带隙能量的光激发产生电子-空穴对；（ii）电子和空穴分离并向催化剂表面迁移；（iii）在表面分别发生还原和氧化反应[16]。特别的，以TiO2为例，在降解过程其引发的反应[8]如下所示：(1)TiO2+hν→e-(TiO2)+h+(TiO2)(2)e-+O2→·O2-(3)h++H2O→·OH(4)h++OH-→·OH(5)h++·O2-+·OH+organicpollutant→CO2+H2O图1.3典型的半导体光催化过程示意图。Figure1.3Thetypicalprocessofphotocatalyticreactionsonsemiconductorphotocatalyst.
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳-氮共改性中空二氧化钛光催化剂的同步合成及其高效的光催化行为和循环稳定性研究（英文）[J]. 肖颖冠,孙孝东,李霖昱,陈娟荣,赵仕东,蒋采国,杨露瑶,程黎,曹顺生. 催化学报. 2019(05)
本文编号：3533237
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国江水中抗生素的检测
中空TiO2基异质结光催化剂的构建及其降解抗生素废水研究2为消除难降解有机污染物的理想手段，具有重要的应用前景[7]。在各种半导体中，二氧化钛（TiO2）因矿化能力高、稳定、无毒和储量丰富等优点成为最实用、普遍的光催化剂[8]。1.2二氧化钛的晶体结构及光催化机制1.2.1晶体结构一般来说，半导体的物理、化学性质和电子结构很大程度上取决于它的晶体结构[9]。在自然界中，TiO2存在三种晶相：锐钛矿、金红石和板钛矿，其中应用于光催化最广泛的是锐钛矿和金红石相TiO2[10]。如图1.2TiO2晶体结构所示，两种相均由TiO6八面体组成，其晶体结构取决于TiO6八面体的连接方式。锐钛矿是由TiO6八面体共顶点组成，而金红石则是由TiO6八面体共顶点且共边组成[11]。不同的晶体具有其独特的原子或离子的周期排列和相应的配位环境及化学键合，从而形成了独特的能带结构[12]。理论计算和实验测量都表明它们的能带排列不同。金红石和锐钛矿TiO2的带隙分别为3.02和3.20eV。光吸收和电子-空穴对的产生都与半导体的能带结构相关[13]。与锐钛矿相比，金红石的带隙更窄，可以将其光吸收扩展到更长的波长[14]。然而，金红石的光催化活性通常低于锐钛矿，主要是由于锐钛矿具有更强的氧化能力和表面吸附能力[11]。图1.2TiO2不同相的晶体结构：锐钛矿（a），金红石（b）。Figure1.2ThecrystalstructureofTiO2:anatase(a),rutile(b).
江苏大学硕士学位论文31.2.2光催化机制半导体是一种介于导体和绝缘体之间，具有一定导电性的材料。半导体独特的电子特性在于其价带（VB）和导带（CB）。半导体的VB是由最高占据分子轨道（HOMO）的相互作用而成，而CB是由最低未占据分子轨道（LUMO）的相互作用而成[11]。在VB的顶部和CB的底部之间不存在电子态。CB和VB之间的能级范围被称为禁带（也称为能隙或带隙），通常表示为Eg[15]。对于半导体光催化剂，其能带结构包括带隙以及VB和CB位置是最重要的性能之一，因为它决定了半导体的光吸收特性以及氧化还原能力。如图1.3所示，一个典型的光催化过程包含三个步骤：（i）催化剂受高于带隙能量的光激发产生电子-空穴对；（ii）电子和空穴分离并向催化剂表面迁移；（iii）在表面分别发生还原和氧化反应[16]。特别的，以TiO2为例，在降解过程其引发的反应[8]如下所示：(1)TiO2+hν→e-(TiO2)+h+(TiO2)(2)e-+O2→·O2-(3)h++H2O→·OH(4)h++OH-→·OH(5)h++·O2-+·OH+organicpollutant→CO2+H2O图1.3典型的半导体光催化过程示意图。Figure1.3Thetypicalprocessofphotocatalyticreactionsonsemiconductorphotocatalyst.
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳-氮共改性中空二氧化钛光催化剂的同步合成及其高效的光催化行为和循环稳定性研究（英文）[J]. 肖颖冠,孙孝东,李霖昱,陈娟荣,赵仕东,蒋采国,杨露瑶,程黎,曹顺生. 催化学报. 2019(05)
本文编号：3533237
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