酞菁敏化二氧化钛的制备及其光催化性能研究

发布时间：2017-08-25 12:14

  本文关键词：酞菁敏化二氧化钛的制备及其光催化性能研究

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【摘要】：酞菁及其衍生物具有良好的热、光稳定性和耐酸碱腐蚀;同时对光谱响应范围宽,催化活性很高。它在电致发光器件、太阳能电池材料、信息记录材料和非线性光学材料等领域中都有很广泛的潜在应用前景。但是酞菁化合物水溶性较差及在溶液中容易团聚,所以这大大限制了酞菁在光催化领域的应用范围。为了解决这个问题,本文制备了带有亲水性基团的酞菁以增加化合物的水溶性,并将酞菁负载至二氧化钛的表面以减少团聚。以制备的2,9,16,23-四羧基铁酞菁和2,3,9,10,16,17,23,24-八羧基酞菁铁敏化的二氧化钛为光催化剂,分别研究了光催化剂对亚甲基蓝、罗丹明B、中性红、酸性红和孔雀石绿水溶液的光催化降解过程及其降解动力学模拟以及对光催化机理的探讨。具体内容如下:以4-羧基邻苯二甲酸酐(均苯四甲酸酐)、尿素和六水合氯化铁(摩尔比为1:25:0.25)为原料,钼酸铵为催化剂,采用固体熔融法合成2,9,16,23-四羧基铁酞菁和2,3,9,10,16,17,23,24-八羧基酞菁铁。将纯化后的酞菁铁敏化二氧化钛制备光催化材料,并对材料进行一系列的表征测试。UV-Vis和FI-IR对酞菁化合物及光催化剂进行了定性分析;XRD表明二氧化钛晶型为锐钛矿型,且酞菁的加入没有对二氧化钛的晶型造成改变;N2吸附-脱附测试表明二氧化钛的比表面积减小,酞菁占据了表面的活性位点;PL和DRS表明酞菁和二氧化钛之间发生了能量转移且酞菁的加入使得光催化剂的带隙宽度变窄,二氧化钛的光吸收范围由紫外光区扩展到了可见光区;最后XPS更进一步确定了酞菁的加入在没有对二氧化钛元素价态造成变化的基础上,是和二氧化钛表面的基团形成了化学键而不是内部中心离子。在对材料进行光催化降解实验中,选取了亚甲基蓝、罗丹明B、中性红、酸性红和孔雀石绿为降解底物,研究结果表明在t=100 min时,光催化剂降解这四种有机染料均有良好的效果。染料降解动力学曲线拟合表明此光催化降解过程符合一级化学反应动力学方程。实验中溶液pH对降解效率的影响是在强酸或强碱条件下,降解效果都有所减弱。二氧化钛粒径对四羧基酞菁铁敏化二氧化钛光催化剂和八羧基酞菁铁敏化二氧化钛光催化剂的影响不同,前者是二氧化钛粒径为60 nm时,光催化效果最好;后者是二氧化钛粒径为100 nm时,光催化效果最好。最后对降解机理进行了探讨,采用叔丁醇、对苯醌、硝酸银和乙二胺四乙酸为捕获剂,实验结果表明降解过程中的活性自由基为羟基自由基和过氧自由基,以此为反应依据进而推测出了反应机理示意图。
【关键词】：酞菁敏化二氧化钛 可见光催化 染料降解 一级反应动力学
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ134.11;O643.36
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 前言11-31
• 1.1 背景11-12
• 1.2 纳米TiO_2概述12-17
• 1.2.1 二氧化钛纳米材料光催化机理12-15
• 1.2.2 二氧化钛纳米材料的表面修饰15-17
• 1.2.2.1 金属增感剂15
• 1.2.2.2 有机染料增感剂15-16
• 1.2.2.3 半导体增感剂16-17
• 1.3 酞菁概述17-21
• 1.3.1 酞菁的合成18-21
• 1.4 酞菁敏化二氧化钛催化剂概述21-23
• 1.5 课题的选题思路和研究内容23-25
• 参考文献25-31
• 第二章 实验方法及其原理31-35
• 2.1 实验仪器及试剂31-32
• 2.1.1 实验仪器31
• 2.1.2 实验试剂及药品31-32
• 2.2 样品与材料的制备及表征方法32-34
• 2.2.1 样品与材料的制备32-33
• 2.2.1.1 酞菁铁的固相合成法制备32-33
• 2.2.1.2 催化剂材料的制备33
• 2.2.2 样品与材料的表征方法33-34
• 2.3 催化剂对染料溶液的降解动力学研究34-35
• 第三章 2, 9, 16, 23-四羧基酞菁铁敏化二氧化钛催化剂的制备及光催化性能研究35-57
• 3.1 引言35-36
• 3.2 实验36-51
• 3.2.1 实验步骤和方案36-37
• 3.2.1.1 四羧基酞菁铁的合成36-37
• 3.2.1.2 四羧基酞菁铁敏化二氧化钛37
• 3.2.2 材料特性表征37-44
• 3.2.2.1 紫外光谱（UV-Vis）和红外光谱(FI-IR)定性分析37-38
• 3.2.2.2 X射线衍射（XRD）表征38-39
• 3.2.2.3 N_2吸附-脱附曲线表征39-40
• 3.2.2.4 SEM形貌表征40-41
• 3.2.2.5 光致发光（PL）表征41
• 3.2.2.6 紫外-可见漫反射光谱（DRS）表征41-42
• 3.2.2.7 X射线光电子能谱（XPS）表征42-44
• 3.2.3 可见光催化性能的研究44-51
• 3.2.3.1 光催化降解反应装置图44
• 3.2.3.2 对罗丹明B（RB）的光催化性能研究44-47
• 3.2.3.3 对亚甲基蓝（MB）的光催化性能研究47-50
• 3.2.3.4 对多种有机染料的光催化性能研究50-51
• 本章小结51-52
• 参考文献52-57
• 第四章 2, 3, 9, 10, 16, 17, 23, 24 -八羧基酞菁铁敏化二氧化钛催化剂的制备及光催化性能研究57-75
• 4.1 前言57-58
• 4.2 实验部分58-71
• 4.2.1 实验步骤和方案58-59
• 4.2.1.1 八基酞菁铁的合成58-59
• 4.2.1.2 2, 3, 9, 10, 16, 17, 23, 24 -八羧基酞菁铁敏化二氧化钛59
• 4.2.2 材料特性表征59-64
• 4.2.2.1 对材料进行紫外（UV-Vis）和红外(FI-IR)定性分析59-60
• 4.2.2.2 X射线衍射（XRD）表征和N_2吸附-脱附曲线表征分析60-61
• 4.2.2.3 光致发光（PL）表征61-62
• 4.2.2.4 紫外-可见漫反射光谱（DRS）表征62-63
• 4.2.2.5 X射线光电子能谱（XPS）表征63-64
• 4.2.3 可见光催化性能的研究64-71
• 4.2.3.1 光催化降解反应装置图64-65
• 4.2.3.2 对罗丹明B（RB）的光催化性能研究65-67
• 4.2.3.3 对亚甲基蓝（MB）的光催化性能研究67-69
• 4.2.3.4 对多种有机染料的光催化性能研究69-71
• 4.2.3.5 催化剂的循环利用实验71
• 本章小结71-73
• 参考文献73-75
• 第五章 总结75-79
• 5.1 课题总结75
• 5.2 反应机理探讨75-78
• 参考文献78-79
• 硕士期间发表的文章79-80
• 致谢80

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