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《浙江大学》 2011年
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二氧化钛光催化机理:表面修饰和混晶效应

丛杉  
【摘要】:环境污染问题日益严峻。近三十年来,以TiO2光催化为代表的高级氧化技术,日益引起广泛关注。TiO2光催化力求采用太阳光和空气为动力,在常温常压下,实现多种有机污染物的降解或彻底矿化。但是迄今为止,Ti02光催化的量子效率仍然较低,难以满足大规模应用的要求。 本论文从提高TiO2光催化反应效率入手,通过表面修饰和混晶效应等方式,设计和合成了高活性的催化剂,并较为系统地研究了基本原理和影响因素,取得了以下具有一定学术价值和应用前景的研究成果: (1)采用难溶性无机氟化物CaF2和Ca1o(PO4)6F2修饰于TiO2表面,提高了光催化降解水中苯酚和氯苯酚的效率,其中修饰材料的最佳负载量约为10 wt%。研究表明,该复合催化剂不仅增强了对有机物的吸附,而且也加快了羟基自由基活性物种的产生。经过五次循环使用后,催化剂的光催化活性几乎保持不变。 (2)文献表明,吸附在TiO2表面的氟离子和磷酸根离子对光催化降解有机物具有促进作用。本文研究表明,在中性条件下,氟离子吸附几乎没有,但它确能提高TiO2光催化降解苯酚的效率,证实了氟离子作用的双电层模型机理。在酸性和中性条件下,磷酸根吸附均较强,都能促进苯酚光催化降解。TiO:表面的氟离子和磷酸根离子均显著抑制中间产物邻苯二酚的吸附,这可能是苯酚降解速率得以加快的原因之一。通过DMPO-EPR,我们认为氟离子主要促进游离羟基自由基的产生,而磷酸根离子主要改变有机物吸附,进而影响反应历程。 (3)文献表明,锐钛矿和金红石两相共存时,TiO2的光催化活性较高,归结于它们之间的电荷转移。本文研究表明,能否观察到这种混晶效应,取决于TiO2自身的物理化学性质和用于评价光催化活性所选择的模型反应。通过比较O2和Ag+作为电子捕获剂,苯酚和染料作为模型分子,我们发现,混晶效应是由于催化剂的结晶度和氧气的吸附量共同作用的结果。我们认为,锐钛矿吸氧能力强,金红石吸氧能力差。吸附在锐钛矿表面的O2能够迁移至邻近的金红石表面,从而使金红石相原本较高的“本征”光催化活性得以体现。 (4)采用水热法成功的合成了具有介孔结构特征的板钛矿相TiO2。研究了板钛矿至金红石的热致相转变过程,并将相变过程中产生的晶相组成不同的混晶用于苯酚光催化降解研究;分别采用O2及Ag+作为电子捕获剂,发现板钛矿与金红石两相共存时,混晶效应仍是TiO2结晶度及其对O2吸附容量共同作用的结果。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O614.411;O643.32

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