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TiO_2纳米管的制备及可见光下光电催化降解甲草胺研究

作 者: 郁关明
导 师: 刘惠玲
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 环境科学与工程
关键词: TiO2纳米管 可见光 光电催化氧化 甲草胺
分类号: X703.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
下 载: 72次
引 用: 1次
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内容摘要


TiO2光催化氧化技术因其具有能耗低、反应条件温和、操作简单、无二次污染等优点而从众多的高级氧化技术中脱颖而出。但是悬浮态TiO2光催化剂在污水处理过程中难以回收,而固定态TiO2比表面积小,因此光催化降解有机物能力有限,同时,由于光激发产生的电子和空穴的复合,导致光量子效率很低,从而限制了TiO2光催化氧化技术在实际中的应用。本论文针对TiO2催化剂比表面积低的问题,制备了TiO2纳米管,增大了光催化过程中的催化剂的比表面积。采用电催化耦合的方法,减少了电子与空穴的复合,并通过对甲草胺的光电催化降解,探讨出最佳的外加电压和外加电流。采用阳极氧化的方法,制备了TiO2纳米管,并对制备工艺条件进行了优化,重点考察了制备电压、制备时间、制备温度和煅烧温度对TiO2纳米管表面形貌以及光催化降解甲草胺活性的影响,其最佳的制备条件为:制备电压20V,阳极氧化1h,制备温度在23℃,煅烧温度为500℃。以阳极氧化法制备的TiO2薄膜作为对照,研究了TiO2薄膜和TiO2纳米管光催化降解甲草胺的性能。利用扫描电镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)、X-射线衍射光谱(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、比表面积测定(BET)等分析手段,对TiO2纳米管表面形貌、晶体结构、表面成分和化学形态、比表面积等进行了分析。使用阳极氧化法制备的TiO2薄膜和TiO2纳米管对光催化降解内分泌干扰物质-甲草胺进行了研究,比较了这两种催化剂的光催化性能。对TiO2纳米管光催化降解反应动力学研究,发现反应符合准一级反应动力学模型。使用TiO2薄膜和TiO2纳米管光电催化降解甲草胺,研究了外加恒电流和外加恒电压大小对两者光电催化降解甲草胺降解效果的影响,确定了最佳外加电流和最佳外加电压,并证实了在光催化和电催化之间存在协同效应。研究了TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的机理,一方面外加电流或电压使导带电子向阴极移动,减少了电子与空穴的复合机率;另一方面,反应溶液中加入Na2SO4电解质后,SO2-4可以被价带空穴氧化成强氧化性的S2O82-,继而可以氧化处理水中有机物,提高甲草胺的降解效率。对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺反应动力学研究,发现反应符合准一级反应动力学模型,无论是光电催化还是电催化降解甲草胺,TiO2纳米管的反应动力学常数都明显大于TiO2薄膜。利用荧光法研究了TiO2纳米管光电催化降解过程中·OH的生成规律。实验的结果表明:·OH含量随着光源辐照强度的增强而增加;当pH=4.6时,·OH生成量最多;并随着外加偏压增大而增加,随着叔丁醇含量的增加而减少。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-33
  1.1 课题的研究背景  11-12
  1.2 环境激素的研究现状  12-20
    1.2.1 环境激素概念的提出  12
    1.2.2 环境激素的分类  12-14
    1.2.3 环境激素的危害  14-16
    1.2.4 环境激素的研究现况  16-17
    1.2.5 高级氧化技术处理环境激素的研究  17-20
  1.3 Ti0_2 催化剂在光(电)催化氧化中的作用  20-24
    1.3.1 Ti0_2 催化剂性质  21-22
    1.3.2 Ti0_2 光催化氧化机理  22-23
    1.3.3 Ti0_2 光电催化氧化原理  23-24
  1.4 Ti0_2 催化剂的研究现状及发展  24-30
    1.4.1 Ti0_2 催化剂存在的形态  25-26
    1.4.2 Ti0_2 纳米管的制备方法  26-30
  1.5 Ti0_2 纳米管在水处理中的应用  30
  1.6 Ti0_2 纳米管研究中存在的问题及发展方向  30-31
  1.7 本课题的意义和实验内容  31-33
第2章 实验内容与方法  33-42
  2.1 实验所用试剂与仪器  33-34
    2.1.1 实验所用试剂  33
    2.1.2 实验仪器  33-34
  2.2 Ti0_2 薄膜和Ti0_2 纳米管的制备与反应装置  34-38
    2.2.1 Ti0_2 薄膜的制备与实验装置  34-35
    2.2.2 Ti0_2 纳米管的制备与实验装置  35-36
    2.2.3 光电催化反应及装置  36-38
  2.3 Ti0_2 电极的表征及分析方法  38-40
    2.3.1 催化剂的表面形貌分析  38
    2.3.2 X-射线衍射分析  38-39
    2.3.3 X-射线光电子能谱分析  39
    2.3.4 BET比表面分析  39-40
  2.4 Ti0_2 薄膜和Ti0_2 纳米管光电催化降解甲草胺的研究  40-42
    2.4.1 甲草胺的分析方法  41
    2.4.2 Ti0_2 纳米管光(电)催化降解动力学研究  41
    2.4.3 光电催化降解甲草胺过程中·OH的测量  41-42
第3章 Ti0_2纳米管的制备及条件优化  42-52
  3.1 Ti0_2 纳米管的制备条件对电极表面形貌的影响  42-47
    3.1.1 制备电压对形貌的影响  42-43
    3.1.2 制备时间对Ti0_2 纳米管形貌的影响  43-44
    3.1.3 制备温度对Ti0_2 纳米管形貌的影响  44-45
    3.1.4 煅烧温度对Ti0_2 纳米管形貌和晶型的影响  45-47
  3.2 Ti0_2 纳米管的制备条件对光催化性能的影响  47-51
    3.2.1 制备电压对Ti0_2 纳米管光催化性能的影响  47-48
    3.2.2 制备时间对Ti0_2 纳米管光催化性能的影响  48-49
    3.2.3 制备温度对Ti0_2 纳米管光催化性能的影响  49-50
    3.2.4 煅烧温度对Ti0_2 纳米管光催化性能的影响  50-51
  3.3 本章小结  51-52
第4章 Ti0_2纳米管的结构与光催化性能研究  52-63
  4.1 Ti0_2 纳米管表面的基本表征  52-60
    4.1.1 Ti0_2 纳米管的表面形貌  52-53
    4.1.2 Ti0_2 纳米管的元素种类  53-54
    4.1.3 Ti0_2 纳米管的晶体结构  54-55
    4.1.4 Ti0_2 纳米管的元素形态  55-58
    4.1.5 Ti0_2 纳米管的比表面积  58-60
  4.2 Ti0_2 纳米管光催化性能研究  60-62
    4.2.1 Ti0_2 纳米管与Ti0_2 薄膜光催化性能比较  60-61
    4.2.2 Ti0_2 纳米管光催化降解反应动力学  61-62
  4.3 本章小结  62-63
第5章 Ti0_2纳米管光电催化降解甲草胺研究  63-81
  5.1 外加恒电流对Ti0_2 纳米管光电催化降解甲草胺的影响  64-65
  5.2 外加恒电压对Ti0_2 纳米管光电催化降解甲草胺的影响  65-67
  5.3 Ti0_2 纳米管光电催化降解甲草胺反应动力学与机理初探  67-76
    5.3.1 Ti0_2 纳米管光催化与光电催化降解甲草胺效果的比较  67-70
    5.3.2 Ti0_2 纳米管光电催化降解甲草胺反应动力学  70-73
    5.3.3 Ti0_2 纳米管光电催化机理初探  73-76
  5.4 羟基自由基的测定  76-80
    5.4.1 光源的辐照强度对测定体系产生·OH的影响  77-78
    5.4.2 pH值对测定体系生成·OH的影响  78
    5.4.3 外加偏压对测定体系产生·OH的影响  78-79
    5.4.4 叔丁醇对测定体系生成·OH的影响  79-80
  5.5 本章小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-90
攻读学位期间发表的学术论文  90-92
致谢  92

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用 > 技术方法
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