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高活性纳米TiO_2的合成、表征及可见光催化性能研究

唐培松  
【摘要】:在全球性环境污染和能源危机日趋严重的今天,如何有效利用太阳能来治理污染已引起世界各国的广泛重视。具有高量子效率、能充分利用太阳能的高活性光催化剂的制备与应用,已成为材料学、化学和环境科学等领域广泛关注和研究的热点课题。 本文首先简要介绍了半导体光催化的基本原理,在总结和评述了提高半导体光催化总量子效率和太阳能利用率的各种方法及其研究进展和面临的主要问题,以及半导体纳米TiO_2湿化学制备方法的优缺点和发展前景等的基础上,采用钛醇盐高温水解溶剂热法成功合成了一系列高可见光催化活性的纳米TiO_2催化剂,研究了合成温度、溶剂组成以及热处理对纳米TiO_2物性和光催化活性的影响规律,分析了纳米TiO_2可见光催化降解目标物甲基橙(MO)和对氯苯酚(4-CP)的机理与动力学,探讨了纳米TiO_2光催化剂可见光催化活性的起因及其稳定性,取得了一系列重要结论和具有实用意义的成果,为实现利用太阳能光催化降解有机污染物提供了理论和实验依据。 研究了一种合成高活性、热稳定纳米TiO_2的钛醇盐(Titanium n-butoxide TNB)高温水解溶剂热法。它是基于在蒸压条件下,钛醇盐与来自气相溶入有机溶剂中的水发生高温水解-缩聚和溶解-结晶过程而合成锐钛矿型纳米TiO_2。在165-270℃温度范围和不同极性的有机溶剂(丙酮、乙醇、吡啶溶剂以及乙醇-丙酮-吡啶混合溶剂)中,成功合成了低团聚、晶粒尺寸小(9.3-11.7nm)、高比表面积(117-150m~2/g)和高可见光(λ≥450nm)催化活性及热稳定的单相纳米锐钛矿。确认了合成温度、溶剂组成及H_2O:TNB(mol)比是影响合成产物晶型、晶粒尺寸、比表面积和可见光催化活性的关键工艺参数。对所研究的溶剂体系,最适宜合成条件为240℃/6h。在混合溶剂中合成的C-240试样,在可见光照60min时,对20mg/L甲基橙溶液的降解率(90%)是德国Degussa P-25的9倍。经800℃煅烧后,仍保持单相锐钛矿晶型;600℃煅烧前后的比表面积为129m~2/g和69m~2/g,分别比P-25二氧化钛约高3和1.5倍,兼具有很好的表面活性和热稳定性。 综合运用超声脱附和DTA-TGA、UV-Vis、FT-IR及GC-MS研究表明,采用钛醇盐高温水解溶剂热法合成的纳米TiO_2表面除吸附有水和残留溶剂外,尚可能吸附有在蒸压合成条件下形成的芳香族类化合


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