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TiO_(2-X-Y-Z)B_XC_YN_Z光催化剂的制备及催化性能的影响研究

李玲  
【摘要】:由于在太阳能利用和环境净化方面的巨大应用价值,光催化技术近年来一直受到较为广泛关注。 本课题采用水热法和溶胶凝-胶法合成纳米TiO_2前躯体,以理化性质特殊的类石墨结构BCN粉体作为掺杂物质对纳米TiO_2实施改性掺杂,制备出一系列BCN质量掺杂比例不同的BCN-TiO_2,并对其微观结构以及热稳定性进行考察。分别以亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B 3种不同染料体系作为光催化降解模型对其可见光催化活性进行考察。并依据其催化降解亚甲基蓝(MB)的光催化降解探索反应动力学。 课题主要内容如下: 1)采用水热法和溶胶-凝胶法分别合成了纳米二氧化钛(TiO_2)作为掺杂物质前躯体。以三聚氰胺(C_3H_6N_6)和硼酸(H_3BO_3)为原材料,在高温高压条件下化合,制备出具有类石墨结构的BCN材料作为B,C,N 3种元素的掺杂源。 2)以质量掺杂比例w(BCN)=1%,3%,5%,7%向纳米TiO_2中掺入类石墨结构BCN粉体,混匀后于400℃下退火2h,得BCN-TiO_2光催化剂。分别采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、热重-差热测定(TG-DTA)分析、扫描电镜(SEM)等方法对其微结构以及稳定性进行了表征。其结果显示,BCN-TiO_2晶体粒径较于无掺杂锐钛矿相TiO_2均有明显减小,并且掺杂后的样品在400℃退火温度下即有金红石相晶体类型呈现;BCN粉体中B、C、N三种元素分别以Bx+、Ti—C和Ti—N、Ti—O—N形式掺入TiO_2中;BCN-TiO_2的热稳定性显著高于TiO_2。 3)用氙灯模拟可见光源,在其照射下以BCN-TiO_2为光催化剂分别对亚甲基蓝(MB),甲基橙(MO),罗丹明B(Rh B)3个染料体系开展催化降解脱色实验。实验结果显示: ①BCN-TiO_2对亚甲基蓝催化降解实验结果显示:掺杂后的BCN-TiO_2系列催化剂降解效率较掺杂前有显著不同。在同样催化剂用量,同样溶液PH等相同影响因素条件下,系列样品中以质量掺杂比例为3%的BCN-TiO_2具有最优催化降解效率,其他掺杂样品的催化效率也有不同变化。 常温常压下、PH=7、催化剂用量为100 mg.L~(-1)、染料初始浓度为10mg.L~(-1)时,催化降解1h,3% BCN-TiO_2对亚甲基蓝的催化降解率高达99.5%。 ②BCN-TiO_2对甲基橙脱色降解实验结果显示:掺杂前后TiO_2光催化剂催化降解效率有显著变化。与①实验过程相同,我们也考查了不同染料初始浓度、不同催化剂用量、不同溶液PH对催化降解甲基橙的效率影响。系列样品中催化效率最佳的也是3% BCN-TiO_2。 常温常压下、PH=7、催化剂用量为50 mg.L~(-1)、染料初始浓度为10mg.L~(-1)时,催化降解1h,对甲基橙的催化降解率达74.9%。 ③BCN-TiO_2对罗丹明B催化降解实验结果显示:掺杂前后的BCN-TiO_2降解效率仅有微小变化。与①、②实验过程相同,也考查了不同染料初始浓度、不同催化剂用量、不同溶液PH对催化降解罗丹明B的催化效率影响。 其中3% BCN-TiO_2具有相对优异降解效率,即:常温常压下、PH=7、催化剂用量为100 mg.L~(-1)、染料初始浓度为10mg.L~(-1)时,催化降解1h,对罗丹明B的催化降解为39.5%。 4)BCN-TiO_2光催化降解亚甲基蓝(MB)实验的动力学分析以及反应级数的确定。并探索了BCN-TiO_2光催化剂催化降解亚甲基蓝(MB)的反应机理,催化剂对亚甲基蓝的光催化反应动力学符合零级反应动力学方程CA0-CA=kt。表观速率常数随亚甲基蓝初始浓度变化而不同。


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