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纳米二氧化钛光催化及其在污水处理与分析检测中的应用研究

陈俊水  
【摘要】:以太阳能化学转换和储存为主要背景的半导体光催化特性的研究始于1917年,1972年Fujishima和Honda在Nature杂志上发表了TiO_2电极光分解水的科研成果,标志着光催化新时代的开始。之后,来自化学、物理、材料等领域的学者围绕太阳能的转化和储存,探索多相光催化过程的原理,致力于提高光催化效率,并拓展其应用领域。至今,光催化已经渗透到材料、能源、环保、医学、卫生和分析检测等多个领域,成为当今科学研究中的一大热点。 但直到目前,纳米二氧化钛光催化机理还不十分清晰,纳米氧化物光催化性能的评估标准也有待于建立。本论文制备了纳米二氧化钛薄膜和粉体材料,在研究其光催化机理的基础上,拓展了其在污水处理和分析检测中的应用。全文共分五个部分: Ⅰ绪论(第一章) 本章分为纳米材料、纳米二氧化钛材料的结构与性能、纳米二氧化钛材料光催化机理的研究和纳米二氧化钛材料光催化的应用四个部分。简要综述了纳米材料的特性,在此基础上着重综述了纳米二氧化钛的微观结构与其紫外屏蔽性能、光催化性能、随角异色效应和超表面双亲性等重要特性;详细综述了纳米材料光催化过程的原理、影响因素及提高光催化活性的可行性生手段;对纳米二氧化钛材料光催化技术在有机物降解、无机物处理,杀灭微生物、分析测试中的应用也进行了详细综述。 Ⅱ TiO_2薄膜与粉体材料的制备与表征(第二章) 本章分别采用溶胶-凝胶法、阴极电沉积法和纳米粉体材料直接涂布法制备了三种纳米TiO_2薄膜。实验结果表明,溶胶-凝胶法和阴极电沉积法都具有仪器简单,操作便易,成膜稳定,晶型易控制且都具有较好的光透性能等特点,其中,溶胶-凝胶法可以制备较厚的膜,因而具有更宽的适用范围。但因两者薄膜所含纳米材料较少,表面积有限,光催化速度受到很大限制。纳米粉体材料直接涂布法则弥补了此方面的不足,通过PC-08丙醋胶乳将纳米材料低温粘附于球形分子筛表面,具有较高的稳定度并保持了原有纳米材料的晶型结构,表现出较高的光催化活性,适用于污水处理。 Ⅲ 纳米二氧化钛光催化机理的研究(第三~五章) 第三章建立并改进了纳米TiO_2粉体材料光催化体系,开展了光催化过程中氧化性中间体协同作用的研究。本章用分光光度法和高效液相色谱——电化学检测方法(HPLC-ED)考察了该体系中甲基橙的降解、Ⅰ~-的氧化和水杨酸的羟基化过程。实验结 山2004届博士学位论文 中文摘要 果表明纳米TIO:光催化过程是光生空穴与轻基自由基等强氧化性中间体协同作用的结 果。 量子效率是表征光催化反应的一项重要参数,但是对于引发光催化反应的氧化性中 间体是光生空穴抑或是轻基自由基一直存在争议。在第四章中首次引入了有效氧化性中 间体及其量子效率(中。x)这一概念,用以评价光催化反应的效果。有效氧化性中间体 包括经基自由基和直接参与有机物氧化降解的光生空穴。本文采用电化学方法,以葡萄 糖作为氧化性物质捕捉剂,研究了光催化过程中产生的光生电流,并求得了有效氧化性 中间体的量子效率。研究结果表明,少ox受外加电压、葡萄糖浓度和溶液pH的影响, 据此对实验条件进行了优化。 第五章用电化学方法对Tio:的禁带宽度进行了测定。工作中以可见一紫外分光光度 计光源(氖灯)为激发源,用CHI660A电化学工作站记录不同波长照射时光生电流变 化情况,考察了激发电子跃迁的临界波长,并据此计算了纳米TIO:的禁带宽度,方法 具有仪器简单,测试速度快等优点。 第六章利用水热法制备了Cu(II)掺杂的纳米TioZ,并用x射线衍射分析仪(x盼)和 扫描电镜(SEM)对其进行了表征。将该材料固定于球形分子筛表面作为催化剂,在流动 式圆筒反应器中对罗丹明6G(R一6G)和印染污水进行处理,表现出优良的光催化性能,说 明Cu(n)掺杂是提高纳米Tio:紫外光催化性能的一种有效途径。 第七章将三电极恒电位电化学体系应用于TIO:光催化系统,建立了电化学辅助光催化 系统,在光催化体系中以环境友好的方式产生强氧化剂HZOZ,提高了单纯TIO:光催化体系 的光催化性能。该系统在含有机物污水降解处理过程中表现出很高的光催化活性。处理0.5h 后,嗅邻苯三酚红(B rom叩yrogallol Red,BPR)的最大吸收峰降低了90%以上,染料废水的 COD旧OD,比值由2.1下降到1 .2,提高了其生物可降解能力。表明本工作建立的电化学辅 助光催化系统可以经济有效地改善纳米氧化物的光催化过程,是处理难生物降解污水的一种 可行性方案。 第八章建立了一套纳米氧化物粉体材料评估装置。该装置以llw紫外灯为激发光源, 选择甲基橙为降解底物,对纳米粉体的光催化性能表现出良好的区分能力。实验发现甲基 橙在该体系中的降解为一级反应过程,通过测定一定反应时间后的吸光度值AT,可以简便、 快速评价纳米材料光催化活性。本方法具有操作简便、成本低、重现性好等优点,不仅可 以方便的研究纳米氧化物粉体材料光催化降解有机污染物的最佳反应条件,也为建立纳米 山2004届博士学位论文 中文摘要 氧化物材料光催化性能评估方法和评估标准进行了有益尝试,在纳米氧化物材料研制、生 产、使用


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