二元及三元納米復(fù)合光催化材料的設(shè)計(jì)制備及其催化行為研究.pdf

1、有毒有害難降解有機(jī)物引起的環(huán)境問(wèn)題已成為21世紀(jì)影響人類(lèi)生存與發(fā)展的重大問(wèn)題。這些有機(jī)污染物很難用傳統(tǒng)技術(shù)處理，因此，研究與開(kāi)發(fā)有毒有害難降解有機(jī)物的高效削減技術(shù)已成為國(guó)際上廣泛關(guān)注的重大課題。光催化降解技術(shù)被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題的最有應(yīng)用潛力的途徑之一，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文針對(duì)以往光催化技術(shù)中表現(xiàn)出的只能利用紫外光或反應(yīng)效率低等不足，緊緊圍繞提高量子效率和有效利用太陽(yáng)能中50％以上的可見(jiàn)光這一關(guān)鍵科學(xué)難題，在充分理解有機(jī)污染物

2、和光催化劑的物化特性及其相互作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，分別制備了二元和三元納米復(fù)合光催化劑，詳細(xì)表征了其結(jié)構(gòu)、形貌、光吸收特性和表面物理化學(xué)性質(zhì)，系統(tǒng)研究了其光催化行為，并探討了其對(duì)不同有機(jī)污染物降解和礦化活性提高的原因。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1．通過(guò)一步溶膠—琵膠法，成功合成了具有較高光催化活性的銪摻雜五氧化二鉭二元納米復(fù)合氧化物（Eu2O3/Ta2O5）。以五氯化鉭和硝酸銪為原料，在200℃下制備了一系列不同Eu摻雜量的無(wú)定形復(fù)合氧化

3、物，進(jìn)一步在500℃下焙燒制得了具有正交晶型結(jié)構(gòu)的樣品。通過(guò)電感耦合等離子體—原子發(fā)射光譜、掃描電子顯微鏡、X—射線粉末衍射、紫外—可見(jiàn)漫反射光譜和X—射線光電子能譜對(duì)該復(fù)合物的組成、形貌、相結(jié)構(gòu)、光吸收性質(zhì)以及Eu2O3的摻雜方式進(jìn)行了表征；通過(guò)染料羅丹明B和對(duì)硝基苯酚在紫外光下的降解和礦化實(shí)驗(yàn)對(duì)其光催化活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，無(wú)論是無(wú)定形還是正交晶型的Eu2O3/Ta2O5復(fù)合氧化物，其光催化活性均較純Ta2O5有所提高，其中

4、，200℃下制備的Eu摻雜量為0．49％的Eu2O3/Ta2O5樣品對(duì)這兩種模型分子的降解活性較高，本文對(duì)活性增強(qiáng)的原因進(jìn)行了合理地探討。 2．在合成In2O3—TiO2和Ag/TiO2二元復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，采用一步溶膠—凝膠結(jié)合溶劑熱合成技術(shù)，首次制備了銀和三氧化二銦共摻雜二氧化鈦三元納米復(fù)合物（Ag/In2O3—TiO2）。通過(guò)透射電子顯微鏡、拉曼光譜、X—射線粉末衍射、X—射線光電子能譜、紫外—可見(jiàn)漫反射光譜以及氮?dú)馕降?/p>

5、測(cè)試方法對(duì)所制各樣品的形貌、晶相結(jié)構(gòu)、光吸收性質(zhì)和表面物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，在三嵌段非離子表面活性劑輔助下制備的Ag/In2O3—TiO2三元復(fù)合物主要為高結(jié)晶度的銳鈦礦晶相，納米尺寸的產(chǎn)物粒子（10～22 nm）分散均勻，并且，小尺寸的金屬銀納米粒子（10～15 nm）均勻分散在樣品表面。與純TiO2相比，Ag/In2O3—TiO2體系由于In2O3的摻入，In5s5p軌道與Ti3d軌道雜化，致使Ag/In2O3—TiO2

6、帶隙能降低。通過(guò)改變Ag或In2O3的摻雜量以及鈦源與表面活性劑的摩爾比，即可控制產(chǎn)物的粒子尺寸和分散度。以染料羅丹明B和汽油添加劑甲基叔丁基醚為目標(biāo)化合物研究了Ag/In2O3—TiO2復(fù)合物的紫外光光催化活性。結(jié)果表明，當(dāng)Ag和In2O3的摻雜量分別為2．0％和1．9％時(shí)，Ag/In2O3—TiO2的紫外光光催化活性最高；而且，Ag/In2O3—TiO2三元體系的紫外光光催化活性明顯優(yōu)于二元體系（Ag/TiO2或In2O3—TiO2

7、）及純TiO2或商用TiO2光催化劑（Degussa P25）。本文對(duì)這種增強(qiáng)的光催化活性作了詳細(xì)探究并推測(cè)出Ag/In2O3—TiO2光催化降解有機(jī)污染物的機(jī)理。 3．在合成VOx—TiO2和Ag/TiO2二元催化劑基礎(chǔ)上，成功地研制出金屬銀和釩氧化物共摻雜二氧化鈦（Ag/VOx—TiO2）的三元協(xié)同改性的新型紫外/可見(jiàn)光光催化劑。采用一步溶膠—凝膠結(jié)合溶劑熱處理技術(shù)，在嵌段聚合物非離子表面活性劑輔助下，首次制備了Ag/VOx

8、—TiO2三元納米復(fù)合物。所得三元體系為銳鈦礦與金紅石混合晶相結(jié)構(gòu)，銳鈦礦相與金紅石相質(zhì)量比為73．8/26．2，帶隙能窄化到2．25 eV，Ag納米粒子均勻分散在粒子尺寸約為12 nm的復(fù)合物表面。以染料羅丹明B和考馬斯亮藍(lán)G-250為目標(biāo)化合物研究了Ag/VOx—TiO2共摻雜催化劑的可見(jiàn)光和紫外光光催化活性。當(dāng)Ag和V的摻雜量分別為1．8％和4．9％時(shí)，Ag/VOx—TiO2的可見(jiàn)光及紫外光光催化活性最高。此外，Ag/VOx—Ti