非金属元素掺杂半导体矿物制备、结构表征及光催化降解高/大分子有机污染物的研究

发布时间：2023-08-06 08:08

　　近年来,环境中的高/大分子有机污染物的治理已经成为环境科学技术研究的焦点之一。多相光催化作为一种深度氧化技术,已经被公认是最有前景的绿色环境净化技术之一。以TiO2为代表的半导体多相光催化技术已经在环境污染治理领域取得了较大的成效,但其较高的禁带宽度导致其仅能够在紫外光下具有光催化活性,严重限制了其推广和应用。具有较低禁带宽度的针铁矿、锰钾矿等半导体矿物则弥补了这一不足,然而,现阶段对其光催化降解有污染物的报道相对较少,降解机理尚无定论。本文针对半导体矿物光催化技术在走向应用的过程中存在的科学与技术问题,对半导体矿物及其非金属元素掺杂复合体光催化作用机理、催化材料的制备方法及催化剂的固定等方面进行了进一步的探讨。研究结果深化了对半导体矿物光催化机理的认识,为非金属元素掺杂半导体材料的制备提供了新方法,同时也为其应用奠定了理论基础。本文主要内容及结论如下： (1)采用溶胶凝胶法合成了常见的半导体矿物针铁矿和锰钾矿,为评价其对环境中高分子有机污染物的光催化降解活性,采用包埋法人工合成了负载针铁矿或锰钾矿的聚乙烯膜,进行了复合膜在紫外光及可见光照射下的光催化降解实验。利用SEM、FT-IR、...

【文章页数】：139 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
Ⅰ 文献综述
    1 半导体矿物光催化基本原理及技术特点
        1.1 半导体矿物概述
        1.2 半导体矿物光催化的机理
        1.3 半导体矿物光催化的技术特点
    2 影响半导体矿物光催化活性的主要因素
        2.1 半导体矿物晶型的影响
        2.2 晶格缺陷的影响
        2.3 光生电子和空穴的捕获
        2.4 比表面积的影响
        2.5 晶粒大小的影响
        2.6 反应pH的影响
    3 铁氧化物的光催化氧化研究进展
        3.1 铁氧化物的研究现状
        3.2 铁氧化物的氧化机理
            3.2.1 类Fenton反应
            3.2.2 铁氧化物的配合物光催化反应
            3.2.3 铁氧化物半导体光催化反应机制
        3.3 铁氧化物对有机污染物的光催化降解应用
    4 锰氧化物的催化性能研究进展
        4.1 锰钾矿和水钠锰矿的晶体结构
        4.2 锰钾矿和水钠锰矿的改性
        4.3 锰氧化物光催化降解有机污染物的研究
    5 钛氧化物的可见光光催化作用研究进展
        5.1 非金属元素掺杂氧化钛类型
            5.1.1 单一非金属元素掺杂氧化钛
            5.1.2 多种非金属元素共掺杂氧化钛
        5.2 非金属元素掺杂氧化钛可见光光催化机理
        5.3 非金属元素掺杂氧化钛中存在的问题
        5.4 TiO₂固相光催化降解有机污染物研究进展
            5.4.1 直接利用TiO₂为催化剂
            5.4.2 以改性TiO₂为催化剂
Ⅱ 总纲—课题的研究意义、研究内容、技术路线和创新之处
    1. 存在问题及选题意义
    2 研究内容
        2.1 半导体铁锰钛氧化物及其非金属元素掺杂复合体的制备
        2.2 供试铁锰钛氧化物及其非金属元素掺杂复合体的结构表征
        2.3 复合膜的制备及其光催化降解
        2.4 微囊藻毒素可见光照射下的光催化降解
    3 技术路线
    4 本研究的创新点
Ⅲ 课题研究
    第一篇 掺硼铁锰氧化物光催化降解聚乙烯薄膜
        1 引言
        2 实验部分
            2.1 实验药品
            2.2 铁锰氧化物及掺硼铁锰氧化物的制备
                2.2.1 针铁矿及掺硼针铁矿的制备
                2.2.2 锰钾矿及掺硼锰钾矿的制备
            2.3 铁锰氧化物及掺硼铁锰氧化物的结构表征实验
                2.3.1 化学组成测定
                    2.3.1.1 针铁矿及掺硼针铁矿中铁含量的测定
                    2.3.1.2 针铁矿及掺硼针铁矿中钾含量的测定
                    2.3.1.3 掺硼针铁矿中硼含量的测定
                    2.3.1.4 锰钾矿及掺硼锰钾矿中锰含量的测定
                    2.3.1.5 锰钾矿及掺硼锰钾矿中锰平均氧化度的测定
                    2.3.1.6 锰钾矿及掺硼锰钾矿中钾含量的测定
                    2.3.1.7 掺硼锰钾矿中硼含量的测定
                    2.3.1.8 铁锰氧化物及掺硼铁锰氧化物中水含量的测定
                2.3.2 供试矿物的X-射线衍射
                2.3.3 供试矿物的比表面积(BET)测定
                2.3.4 供试矿物的TEM表征
                2.3.5 供试矿物的FT-IR分析
                2.3.6 供试矿物的X-光电子能谱分析
                2.3.7 供试矿物的紫外可见吸收光谱分析
            2.4 铁锰氧化物及掺硼负载体对聚乙烯膜光催化降解
                2.4.1 聚乙烯的结构及基本性质
                2.4.2 铁锰氧化物及掺硼负载体-PE复合膜的制备
                2.4.3 光催化降解反应装置
                2.4.4 降解产物分析
                    2.4.4.1 扫描电子显微镜(SEM)分析
                    2.4.4.2 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析
                    2.4.4.3 X射线光电子能谱(XPS)分析
        3 结果与讨论
            3.1 铁锰氧化物及掺硼铁锰氧化物的结构表征
                3.1.1 针铁矿及掺硼针铁矿的结构表征
                    3.1.1.1 针铁矿及掺硼针铁矿的基本性状
                    3.1.1.2 XRD测定
                    3.1.1.3 TEM表征
                    3.1.1.4 外光谱(FT-IR)分析
                    3.1.1.5 X-射线光电子能谱
                    3.1.1.6 紫外可见吸收光谱
                3.1.2 锰钾矿及含硼锰钾矿的结构表征
                    3.1.2.1 锰钾矿及掺硼锰钾矿的基本性状
                    3.1.2.2 XRD测定
                    3.1.2.3 TEM表征
                    3.1.2.4 FT-IR分析
                    3.1.2.5 紫外可见吸收光谱
            3.2 紫外光下掺硼铁锰氧化物-PE复合膜的光催化降解
                3.2.1 针铁矿-PE复合膜
                    3.2.1.1 复合膜的失重率及其降解动力学
                    3.2.1.2 复合膜的表观形态分析
                    3.2.1.3 复合膜的基团组成分析
                3.2.2 掺硼针铁矿-PE复合膜
                    3.2.2.1 掺硼针铁矿-PE复合膜的失重率
                    3.2.2.2 掺硼针铁矿-PE复合膜的表观形态
                3.2.3 锰钾矿-PE复合膜
                    3.2.3.1 锰钾矿-PE复合膜的失重变化
                    3.2.3.2 锰钾矿-PE复合膜的基团变化
                    3.2.3.3 锰钾矿-PE复合膜的表面元素价态变化
                    3.2.3.4 锰钾矿-PE复合膜的表观结构变化
                3.2.4 掺硼锰钾矿-PE复合膜
                    3.2.4.1 掺硼锰钾矿-PE复合膜的失重率
                    3.2.4.2 掺硼锰钾矿-PE复合膜表面基团变化
                    3.2.4.3 掺硼锰钾矿-PE复合膜表观结构变化
            3.3 可见光下复合膜的降解
                3.3.1 掺硼针铁矿-PE复合膜
                    3.3.1.1 掺硼针铁矿-PE复合膜的失重
                    3.3.1.2 掺硼针铁矿-PE复合膜的基团变化
                3.3.2 掺硼锰钾矿-PE复合膜
                    3.3.2.1 掺硼锰钾矿-PE复合膜失重率变化
                    3.3.2.2 掺硼锰钾矿-PE复合膜基团变化
        4 紫外-可见光下掺硼铁锰氧化物-PE复合膜降解机理
            4.1 紫外光下复合膜的降解机理
                4.1.1 紫外光下针铁矿及掺硼针铁矿-PE复合膜的降解机理
                4.1.2 紫外光下锰钾矿及掺硼锰钾矿-PE复合膜的降解机理
            4.2 可见光下复合膜未降解机理推测
        5 小结
    第二篇 非金属元素掺杂TIO₂光催化降解微囊藻毒素
        1 引言
        2 实验部分
            2.1 实验药品
            2.2 催化剂的制备
                2.2.1 碳掺杂纳米氧化钛颗粒的制备
                2.2.2 碳氮共掺杂氧化钛薄膜的制备
            2.3 催化剂的结构表征
                2.3.1 比表面积及孔径分析
                2.3.2 X-射线衍射
                2.3.3 HR-TEM表征
                2.3.4 扫描电镜SEM表征
                2.3.5 AFM表征
                2.3.6 拉曼光谱(micro-Raman)分析
                2.3.7 紫外可见吸收光谱分析
                2.3.8 FT-IR分析
                2.3.9 X-光电子能谱分析
                2.3.10 电子顺磁共振(EPR)表征
            2.4 微囊藻毒素的光催化降解
                2.4.1 MC-LR的基本性质及结构
                2.4.2 光催化降解反应器
                2.4.3 反应条件的设定及微囊藻毒素的测定
        3 结果与讨论
            3.1 非金属元素掺杂氧化钛的结构表征
                3.1.1 碳掺杂氧化钛
                    3.1.1.1 比表面积及孔径分析
                    3.1.1.2 X-射线衍射
                    3.1.1.3 HR-TEM表征
                    3.1.1.4 拉曼光谱(micro-Raman)分析
                    3.1.1.5 紫外可见吸收光谱分析
                    3.1.1.6 FT-IR分析
                    3.1.1.7 X-光电子能谱分析
                    3.1.1.8 电子顺磁共振(EPR)表征
                3.1.2 碳氮共掺杂氧化钛
                    3.1.2.1 XRD
                    3.1.2.2 比表面积及孔径分析
                    3.1.2.3 ESEM表征
                    3.1.2.4 AFM表征
                    3.1.2.5 HR-TEM表征
                    3.1.2.6 紫外可见吸收光谱分析
                    3.1.2.7 FT-IR分析
            3.2 非金属元素掺杂氧化钛可见光光催化降解微囊藻毒素
                3.2.1 C-TiO₂可见光光催化降解微囊藻毒素
                3.2.2 C-N-TiO₂可见光光催化降解微囊藻毒素
        4 C掺杂及C、N共掺杂氧化钛光催化降解MC-LR机理
        5 小结
Ⅳ 结语与展望
参考文献
攻读博士期间发表的论文和成果
致谢



本文编号：3839379