多金属氧酸盐—二氧化钛杂化孔材料的制备、表征与光催化性能研究

【摘要】：利用溶胶-凝胶、模板结合程序升温的溶剂热等方法,制备了三类具有光化学活性的二氧化钛负载型多金属氧酸盐杂化孔材料 PW_(11)-TiO_2、SiW_(11)-TiO_2、GeW_(11)-TiO_2、PW_(11)Ni-APS-TiO_2、PW_(11)Co-APS-TiO_2 和 PW_(12)-TiO_2。利用紫外漫反射光谱、红外光谱、X 射线粉末衍射、固体核磁共振波谱和电感耦合等离子原子发射光谱等手段对上述新材料进行测定和结构表征。结果表明,形成杂化孔材料后,母体多金属氧酸盐的基本结构仍然保留,而且与 TiO_2网络之间存在强的化学作用,其结果导致多金属氧酸盐分子被牢固地束缚在 TiO_2网络上。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和氮气吸附等对上述材料的表面形貌和物理性质进行了表征和分析。结果表明,PW_(11)-TiO_2、SiW_(11)-TiO_2和 GeW11-TiO2具有大孔结构;PW11Ni-APS-TiO2和 PW11Co-APS-TiO2具有介孔结构;PW_(12)-TiO_2 具有微孔/介孔双孔结构。 通过水溶液中染料罗丹明 B 的降解反应,系统研究了 PW_(11)-TiO_2、SiW_(11)-TiO_2 和GeW_(11)-TiO_2 大孔材料的紫外光催化活性。结果表明该类粉体材料及相应的膜材料均具有远高于纯TiO_2的活性,主要归因于材料中多金属氧酸盐和TiO_2之间存在的协同效应,即作为强电子受体的多金属氧酸盐接受 TiO_2受光激发形成的导带光生电子,延长了空穴-电子的再复合时间,同时多金属氧酸盐自身也具有光活性。通过对降解过程中生成的中间产物的研究,推断出光催化降解的路径。反应过程中活性组分几乎未发生渗漏的事实证明了此类材料在反应体系中非常稳定。因此,耐水性多金属氧酸盐-二氧化钛杂化材料的制备,有效解决了POM在均相体系中无法回收的难题,具有显著的实际意义。 此外,PW_(11)Ni-APS-TiO_2和PW_(11)Co-APS-TiO_2介孔材料的紫外光催化活性通过水溶液中偶氮染料刚果红和杀虫剂六氯苯的降解得到证实。结果表明,在温和条件下(常温、常压和自然酸度),用近紫外区的光辐射以上体系,两种材料都具有较高的活性。 以H_3PW_(12)O_(40) 为无机前驱体,异丙氧基钛水解制备了微孔/介孔双孔体系H_3PW_(12)O_(40)-TiO_2 杂化材料。动力学研究结果表明,在可见光催化作用下,水溶液中微量染料亚甲基蓝(MB)的降解反应遵循Langmuir-Hinshelwood表观一级动力学模式。通过对亚甲基蓝降解过程中生成的中间产物的研究,推断出MB光催化降解的路径,并认为,由光生空穴与催化剂表面的OH-根离子反应生成的OH~·自由基对水溶液中有机物的降解与矿化起主要作用。同时,染料分子本身形成的阳离子自由基(MB~(·+))对降解与矿化也起作用。 本课题的研究为寻找光催化活性与传统的 TiO_2相当或更高的非均相光催化新材料奠定了理论基础,同时也为多金属氧酸盐光催化净化大规模的工业污水提供了基础研究数据。