二氧化鈦-多孔炭復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展成為人類必須考慮的問(wèn)題。光催化作為化學(xué)、物理、材料和環(huán)境等多學(xué)科融合形成的一門新興交叉學(xué)科，將無(wú)污染而又取之不盡的光能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合起來(lái)，用以降解工業(yè)廢水中有毒、有害、難分解的有機(jī)物，從而顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。納米TiO2材料以其化學(xué)穩(wěn)定性好、催化降解有機(jī)污染物反應(yīng)速度快、適用范圍廣、深度氧化完全、能充分利用太陽(yáng)光和空氣以及水相中的氧分子等優(yōu)點(diǎn)而

2、成為倍受青睞的光催化材料，特別是當(dāng)有機(jī)污染物濃度很高或用其他方法很難降解時(shí)，這種材料顯示了更明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　一般來(lái)講，納米TiO2的光催化作用主要在液-固相和氣-固相進(jìn)行，存在催化劑的流失和難以回收的問(wèn)題，將TiO2固載到多孔載體上是解決上述問(wèn)題的有效途徑，而且參與固載的多孔載體一般都具有較好吸附性能，能提高TiO2顆粒表面的環(huán)境濃度來(lái)促進(jìn)TiO2對(duì)有機(jī)物的催化降解。納米TiO2的固載研究主要包括載體的選擇和固載技術(shù)的研究。目前

3、研究者們主要用物理氣相沉積法，化學(xué)氣相沉積法和溶膠-凝膠法將納米TiO2固載在多孔基體，如:活性炭，沸石，納米碳管上，但是這些傳統(tǒng)的方法容易對(duì)單一孔結(jié)構(gòu)的多孔基體造成包覆。
　　本工作對(duì)固載的方法和固載載體作出改進(jìn)，以降低TiO2對(duì)多孔炭活性表面的包覆，另外可以得到形貌可控的碳摻雜TiO2粉體材料。在本文中，我們選用農(nóng)業(yè)廢棄物——茭白葉為原料，以物理活化法和混合活化法分別制備得到分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭和高比表面積活性炭，其次用不同的方法

4、將TiO2材料固載到這兩種活性炭的表面，并研究了制備過(guò)程、TiO2負(fù)載量、復(fù)合光催化劑的孔徑分布等對(duì)光催化降解有機(jī)污染物的影響及機(jī)理。其結(jié)論分述如下:
　　(1)茭白葉原料經(jīng)稀薄空氣物理活化，可以制備得到分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭。這類活性炭一方面很好的保留了植物本身的大孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)經(jīng)過(guò)稀薄空氣的活化產(chǎn)生了大量具有吸附活性的納米孔結(jié)構(gòu)。在分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭中，大孔的孔壁為TiO2材料的固載提供負(fù)載點(diǎn)，而納米孔結(jié)構(gòu)則吸附液相催化體系中的有機(jī)物，

5、使其富集于TiO2表面促進(jìn)有機(jī)污染物分子與TiO2的碰撞，提高TiO2的光催化效率。
　　(2)以稀薄空氣和K2CO3為活化劑的混合活化法，可以將茭白葉轉(zhuǎn)化成高比面積活性炭。該法制備得到的活性炭主要由硬炭構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)表明，在混合活化過(guò)程中，空氣中的O2和K2CO3之間存在協(xié)同活化作用，使得該法制備得到的活性炭具有更為發(fā)達(dá)的納米孔結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化的工藝條件下，可得到比表面積高達(dá)2481m2/g的活性炭。這為TiO2的固載提供了良好的載體。

6、
　　(3)以鈦酸乙酯(TTED)為鈦源，以高比表面積活性炭為載體，利用浸漬-水解法制備了TiO2/活性炭和N-TiO2/活性炭?jī)煞N高比表面積復(fù)合光催化劑。該方法一方面可以很好的保留活性炭中的活性表面，另一方面通過(guò)H2O(氣)對(duì)TTED的水解，固載于活性炭的TiO2的晶粒尺寸能夠被控制在10nm左右，并具有良好的分散性。當(dāng)TiO2和N-TiO2在復(fù)合光催化劑中的含量分別為7.7wt％和8.3wt％時(shí)，TiO2/活性炭和N-TiO2

7、/活性炭的比表面積分別為1483m2/g和1321 m2/g。
　　(4)以鈦酸丁酯(TTIP)為鈦源，以分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭為載體，采用溶膠-凝膠法制備了TiO2、 N-TiO2/分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭?jī)煞N復(fù)合光催化劑。實(shí)驗(yàn)顯示:分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭一方面一有效的抑制了TiO2和N-TiO2的團(tuán)聚，得到了顆粒細(xì)密得納米級(jí)TiO2和N-TiO2，另一方面分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭基體很好的避免了溶膠-凝膠法制各得到的TiO2層對(duì)基體全面的包覆，從而使得在

8、最終的復(fù)合光催化劑中，保留了基體的部分分級(jí)孔結(jié)構(gòu)。分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭顯示了比商業(yè)活性炭更好的固載效能。
　　(5)在溶膠-凝膠法制備所得的TiO2/分級(jí)孔結(jié)構(gòu)活性炭粉體的基礎(chǔ)上，以Mg為引燃劑，通過(guò)燃燒合成法，制備了具有植物分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)TiC，并由分級(jí)多孔TiC在空氣中灼燒，得到C摻雜TiO2/多孔炭復(fù)合光催化劑，得到了形態(tài)可控的TiC和C摻雜TiO2/多孔炭復(fù)合光催化劑。與商業(yè)TiC灼燒后得到的C摻雜TiO2相比，分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的C

9、摻雜TiO2/多孔炭具有催化降解有機(jī)物的效率。
　　(6)基于以上方法制備得到的具有不同孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合光催化劑，本文并系統(tǒng)地對(duì)比和研究了這些復(fù)合光催化劑與TiO2或N-TiO2的光催化動(dòng)力學(xué)性能，以及這些光催化劑對(duì)于相應(yīng)有機(jī)物的吸附動(dòng)力學(xué)性能，從動(dòng)力學(xué)的角度闡述了TiO2和N-TiO2的光催化性能和活性炭吸附性能之間的協(xié)同作用機(jī)理。在相同的液相光催化條件下，復(fù)合光催化劑通過(guò)吸附作用提高了TiO2和N-TiO2周圍的有機(jī)物濃度從而提高