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碳、氮及硫共掺杂TiO_2光催化剂制备及应用研究

作　者: 王耀东
导　师: 周安宁
学　校: 西安科技大学
专　业: 应用化学
关键词: 光催化剂非金属元素掺杂可见光激发甲醛降解
分类号: TQ134.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

甲醛是最常见及危害性最大的一种室内挥发性有机污染物之一,长期接触会引起慢性呼吸道疾病、癌症及细胞核的基因突变等,因此,消除室内甲醛污染新技术的开发研究引起了国际广泛重视。TiO₂光催化氧化是一种极具发展潜力的有机污染物净化技术,然而由于TiO₂仅对紫外光有较强响应,可见光不能激发其光催化活性,从而限制了其在室内有机污染物净化中的应用。TiO₂的掺杂改性是提高其可见光催化活性的重要手段之一。本文利用反相微乳液法制备了具有可见光催化活性的C、N及S共掺杂TiO₂光催化剂。并通过元素分析、粉末X-射线衍射分析（XRD）、X-射线光电子能谱分析（XPS）等分析方法探讨了C、N及S共掺杂作用。通过紫外-可见光漫反射分析（UV-DRS）及C、N、S共掺杂TiO₂光催化剂对甲醛的可见光催化降解催化反应来评价光催化剂的性能。首先,以TiCl₄与NH3H2O为原料,在Triton X-100/正戊醇/环己烷/水所形成的反相微乳液体系中制备TiO₂,考察水与表面活性剂的摩尔比（ω）、TiCl₄浓度、pH值及煅烧温度对制备TiO₂形貌、结构及其紫外-可见光吸收响应波长范围的影响。结果表明:控制pH=4及TiCl₄浓度在一定范围内,制备出具有特殊形貌的空心TiO₂粒子,壳的厚度也可以通过精确控制反应物的浓度来调节;XRD结果表明500℃、600℃煅烧后的TiO₂粒子为锐钛矿型,700℃煅烧后,部分锐钛矿逐步转变为金红石,锐钛矿型TiO₂粒子粒径在8.14¹5.4nm之间;漫反射结果表明,500℃煅烧后的未掺杂TiO₂光催化剂在紫外-可见光区的吸收强度均强于传统的P25光催化剂。在上述研究结果基础上,以间氨基苯磺酸（ABS）、TiCl₄及NH3H2O为原料,在反相微乳液体系内制备了磺化聚苯胺（SPAN）/TiO₂原位混杂材料。考察了煅烧温度、时间及掺杂量等制备条件对C、N及S共掺杂改性TiO₂光催化剂结构及可见光活性的影响。结果表明:采用高聚物SPAN可实现TiO₂的共掺杂改性,C、N元素分别以置换TiO₂晶格中的O元素及填隙在TiO₂晶格间隙中两种形式对TiO₂光催化剂进行了很好的掺杂改性,而S元素是以S4+形式取代Ti4+嵌入TiO₂晶格间隙中;UV-Vis吸收光谱分析表明,该催化剂光响应波长范围扩大,在紫外-可见光区均产生较强吸收,紫外吸收峰红移,其中,光催化剂TiO₂-500-3-0.05的掺杂改性效果最佳。自行设计了光催化反应装置,模拟室内甲醛的污染。使用该反应装置,以光催化剂TiO₂-500-3-0.05作为对比,分别考察了光催化剂煅烧温度、时间、掺杂量和光照强度四个因素对光催化降解甲醛气体的净化效率的影响;同时对光催化降解甲醛气体进行了反应动力学的研究。结果表明:随着煅烧温度的升高,甲醛净化效率降低;煅烧3h,光催化剂的净化效率最高;当添加剂ABS量为0.05g时,净化效率最高;随着光照强度的增加,净化效率也在不断提高;当甲醛初始浓度在0.71-14.2mg/m3时,甲醛初始浓度越低,光催化剂的净化效率越高,几乎可以完全降解甲醛,当甲醛初始浓度为14.2mg/m3时,其降解率最高能达到66%;甲醛气相光催化甲醛反应符合L-H动力学模型,降解反应符合一级反应动力学。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-27
  1.1 室内挥发性有机污染物的危害及防治技术  11-13
  1.2 室内挥发性有机污染物的光催化氧化技术  13-17
    1.2.1 室内污染物净化用光催化剂  13-14
    1.2.2 光催化氧化技术机理  14-16
    1.2.3 甲醛的TiO_2 光催化氧化降解  16-17
  1.3 非金属掺杂改性TiO_2 光催化剂  17-21
    1.3.1 单一非金属元素掺杂改性  18-19
    1.3.2 非金属元素耦合及共掺杂改性  19-20
    1.3.3 非金属元素掺杂改性机理  20-21
  1.4 纳米TiO_2 的制备方法  21-25
    1.4.1 气相法  21
    1.4.2 液相法  21-25
  1.5 本文的研究思路、研究内容及技术路线  25-27
    1.5.1 研究思路  25
    1.5.2 研究内容  25
    1.5.3 技术路线  25-27
2 反相微乳液法制备纳米TiO_2  27-35
  2.1 实验部分  27-29
    2.1.1 设备、仪器及试剂  27-28
    2.1.2 实验步骤  28-29
  2.2 结果及讨论  29-34
    2.2.1 TiO_2 样品的SEM 分析  29-31
    2.2.2 纳米TiO_2 的SEM 分析  31-32
    2.2.3 纳米TiO_2 的晶相分析  32-33
    2.2.4 纳米TiO_2 的UV-vis 漫反射分析  33-34
  2.3 本章小结  34-35
3 非金属元素共掺杂TiO_2 光催化剂的制备及表征  35-45
  3.1 实验部分  35-36
    3.1.1 设备、仪器及试剂  35
    3.1.2 实验步骤  35-36
  3.2 TiO_2 光催化剂的结构与表征  36-44
    3.2.1 C、N、S 共掺杂纳米TiO_2 光催化剂的元素分析  36-37
    3.2.2 C、N、S 共掺杂纳米TiO_2 光催化剂的化学组成  37-40
    3.2.3 C、N、S 共掺杂纳米TiO_2 光催化剂的UV-vis 漫反射分析  40-41
    3.2.4 C、N、S 共掺杂纳米TiO_2 光催化剂的形貌分析  41-42
    3.2.5 C、N、S 共掺杂纳米TiO_2 光催化剂的晶相分析  42-43
    3.2.6 SPAN/ TiO_2 混杂材料的热重分析  43-44
  3.3 本章小结  44-45
4 TiO_2 光催化降解室内甲醛气体实验研究  45-53
  4.1 实验部分  45
    4.1.1 光催化降解所用设备和仪器  45
  4.2 光催化降解甲醛气体的实验装置及流程  45-47
  4.3 分析方法  47-49
    4.3.1 分析方法的原理  47
    4.3.2 甲醛标准曲线的绘制  47-48
    4.3.3 实验中甲醛浓度的测定  48-49
  4.4 结果与讨论  49-52
    4.4.1 催化剂煅烧温度对甲醛净化效果的影响  49
    4.4.2 催化剂煅烧时间对甲醛净化效果的影响  49-50
    4.4.3 催化剂掺杂量对甲醛净化效率的影响  50-51
    4.4.4 光照强度对甲醛净化效率的影响  51
    4.4.5 甲醛初始浓度对净化效率的影响  51-52
  4.5 本章小结  52-53
5 TiO_2 光催化降解室内甲醛气体的动力学研究  53-60
  5.1 光氧化甲醛气体降解过程的反应动力学分析  53-59
    5.1.1 降解动力学模型  53-54
    5.1.2 光氧化甲醛气体降解反应级数的确定  54-57
    5.1.3 光氧化甲醛气体降解过程的反应动力学  57-59
  5.2 本章小结  59-60
6 结论  60-61
致谢  61-62
参考文献  62-69
附录  69

碳、氮及硫共掺杂TiO_2光催化剂制备及应用研究

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