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纳米掺杂二氧化钛的制备及应用研究

白蕊  
【摘要】:作为半导体材料光催化剂,纳米TiO_2由于化学性质稳定、无毒、成本低等优点而具有广泛的前景。但TiO_2仅能吸收太阳光中的紫外部分,且光生电子与空穴容易复合,因此,光催化效率不高。掺杂改性来提高TiO_2光催化效率是有效手段之一。本研究中,把WO_3和Fe~(3+)掺入TiO_2粒子以提高TiO_2光催化性能。 本研究课题以钛酸四丁为前驱体,溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2、纳米WO_3/TiO_2和纳米Fe~(3+)/TiO_2粉体,并采用透射电子显微镜(TEM)、X光衍射(XRD)、光催化性能的测试,对粉体的平均粒径、形貌和光催化性能等进行了表征。本研究中还利用热重分析仪,在10K/min、15K/min、20K/min、40K/min升温速率下采用Kissinger法对纳米TiO_2和WO_3/TiO_2进行热分析,得出TiO_2的分解活化能为94.014KJ/mol, WO_3/TiO_2的分解活化能为98.680KJ/mol。用光催化降解甲基橙(5mg/L,pH=4)来测试纯TiO_2、WO_3/TiO_2纳米粉体和Fe~(3+)/TiO_2纳米粉体的光催化效果,其中粉体光催化剂为0.0200g。分析结果表明,550℃下煅烧的得到的TiO_2的粒径在13.5nm左右,呈球状,其光催化性能较其他温度得到的样品要好,对甲基橙的降解率为90.54%。用溶胶-凝胶法制备的掺杂WO_3的TiO_2纳米粉体颗粒细小均匀,形状完整,外观呈球形,平均粒径约为9nm。通过对样品的光催化性能测试,得知550℃下煅烧得到的WO_3/TiO_2的光催化性能较好,对甲基橙的降解率达到95.60%。用溶胶-凝胶法制备的掺杂Fe的TiO_2纳米粉体颗粒均匀,外观为球状,平均粒径约为13.5nm。通过对样品的光催化性能测试,得知550℃下煅烧得到的Fe~(3+)/TiO_2的光催化性能较好,对甲基橙的降解率达到93.21%。 本研究将纳米TiO_2光催化剂应用在RDX废水处理。在pH=3~4时,用0.0200gTiO_2光催化剂在紫外灯下催化降解20mL浓度为200mg/L的RDX溶液,经5h后RDX废水的降解率能达到51.03%,COD值下降54.51%。在碱性条件下将臭氧通入20mL浓度为200mg/L的RDX废水15min后,调节至酸性,再加入0.0200gTiO_2在紫外灯下进行催化,0.5h后硝基化合物降解率能达到75.70%,COD下降98.86%。表明TiO_2与O_3的联用大大缩短了处理RDX废水的时间,处理效果更好。


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