tio,2基催化剂上气相光催化降解苯的研究

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1、物理化学专业优秀论文物理化学专业优秀论文 TiOTiO基催化剂上气相光催化降解苯的研基催化剂上气相光催化降解苯的研究究关键词：光催化降解关键词：光催化降解 有机污染物有机污染物 气相苯降解气相苯降解 TiO2TiO2 基催化剂基催化剂 发光材料发光材料 储氧储氧 材料材料 硅烷偶联剂硅烷偶联剂摘要：近年来，由挥发性有机物所带来的空气污染问题日趋严重。在众多的治 理技术中，TiOlt;,2gt;光催化降解有机污染物作为一种理想的环境 治理技术而倍受关注。芳烃特别是苯，作为室内挥发性有机物的代表之一，结 构稳定，不容易被氧化降解。以 TiOlt;,2gt;为催化剂，利用光催 化氧化降解处理室内空气

2、中的苯是一个很有效的方法，但是二氧化钛的失活却 是一个相当严峻的问题。因此，延长光催化剂的使用寿命同时提高它的催化活 性，成为亟待解决的问题。本文在以发光材料、储氧材料为载体和用硅烷偶联 剂对二氧化钛进行修饰的基础上，设计和制备了具有寿命长、催化活性高的光 催化剂，以气相苯为模拟污染物，考察了光催化效果。主要研究内容及结果如 下： 1用溶胶-凝胶法、水热沉淀法、钛酸四丁酯水解法制备了 TiOlt;,2gt;。溶胶-凝胶法工艺简单，便于操作。溶胶-凝胶法制备 的 TiOlt;,2gt;粉体具有最小的粒径和最高的比表面，500焙烧 2 h TiOlt;,2gt;粉体为锐钛型，600时向金红石型转化

3、。表征结果 表明溶胶-凝胶法制备的 TiOlt;,2gt;粉体对可见光有较强的响应， Ti2p 结合能(eV)最低。溶胶-凝胶法制备的 TiOlt;,2gt;具有最高的 光催化活性，对气相苯的降解率最高，但催化剂使用寿命较短，因此有必要延 长光催化剂的使用寿命同时提高它的活性。 2在研究的实验条件下，苯在 0.2g TiOlt;,2gt;上的气相光催化降解符合 Langmuir-Hinshelwood 动力学模型，光催化反应速率常数 K 和 Langmuir 吸附常数 K 分别为 0.0064mgLlt;#39;-1gt;minlt;#39;-1gt;和 4.6719 Lmglt;#39;-1

4、gt;。苯气相光催化氧化的中间产物包括： (1)乙酸乙酯(2)3-环氧乙基甲醇(3)2，6-二叔丁基-4，4-二甲基环己-2，5-二 烯酮(4)2，6-二叔丁基环己-2，5-二烯-1，4-二酮(5)2，6-二叔丁基-4-甲基苯 酚(6)间二苯乙酸丁酯。2，6-二叔丁基-4，4-二甲基环己-2，5-二烯酮、2，6- 二叔丁基环己-2，5-二烯-1，4-二酮、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚和间二苯乙 酸丁酯中至少有一种中间产物造成了催化剂失活。苯的光催化氧化在不同条件 下遵循不同的反应历程。 3.以发光材料 Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;作为载体,制备了二氧化钛负载 量为 0.5wt、

5、1.0wt、1.5wt、2.0wt、4.0wt的光催化剂，考察了不 同负载量的 TiOlt;,2gt;降解初始浓度为 1.0mg/1 苯的降解性能， 结果表明 1.0wt为最佳负载量。 TiOlt;,2gt;/Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;(1.Owt )和纯 TiOlt;,2gt;光催化降解性能比较表明，负载型催化剂的活 性提高了 0.74 倍，寿命延长了 1.00 倍。苯的最高转化率达到了 65.0。研究 了光源，水蒸气以及铁离子掺杂对苯光催化降解的影响。结果表明用日光灯作 光源时苯的转化率很低，只有 15.3，而用紫外灯作光源时转化率明显提高了 近 3 倍；适量水蒸气的添加和

6、铁离子的掺杂对苯的光催化降解均有促进影响。水的最佳添加量是 50mg/L；铁离子的最佳掺杂摩尔比为 1.0。 4.XRD 表征 显示负载的 TiOlt;,2gt;的晶型主要是锐钛矿型；紫外-可见漫反射 结果表明，负载型催化剂与纯 TiOlt;,2gt;在紫外光区漫反射几乎 没有变化，在可见光区负载型光催化剂漫反射减弱，明显提高了对可见光的吸 收；XPS 表征表明负载型催化剂的 Ti(2p)结合能向低能端偏移了 0.7eV，这表 明 TiOlt;,2gt;与 Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;之 间发生了强烈的相互作用，TiOlt;,2gt;化学微环境的改变可能导致 了负载型催化剂光催化

7、活性的提高。该实验条件下，苯在 TiOlt;,2gt;/Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;的气相 光催化降解符合 Langmuir-Hinshelwood 动力学模型，光催化反应速率常数 k 和 Langmuir 吸附常数 K 分别为 0.0064mgLlt;#39;- 1gt;minlt;#39;-1gt;和 9.2078Lmglt;#39;- 1gt;。采用红外对失活催化剂的表面进行了研究，结果表明催化剂表面出 现了羰基与羟基等的振动峰，运用色谱一质谱对萃取的表面物种进行了测试， 苯气相光催化氧化的中间产物包括：(1)乙酸乙酯(2)3-环氧乙基甲醇(3)2，6- 二叔丁基-4，4-

8、二甲基环己-2，5-二烯酮(4)2，6-二叔丁基环己-2, 5-二烯- 1，4-二酮(5)2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚。2，6-二叔丁基-4，4-二甲基环己- 2，5-二烯酮、2，6-二叔丁基环己-2，5-二烯-1，4-二酮和 2，6-二叔丁基-4- 甲基苯酚中至少有一种中间产物造成了催化剂失活。苯的光催化氧化在不同条 件下遵循不同的反应历程。Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;的存 在抑制了电子-空穴的复合，电子转移以及对可见的响应提高了 TiOlt;,2gt;/Srlt;,2gt;CeOlt;,4gt;的光催 化活性。 5.红外表征表明 TiOlt;,2gt;已被硅烷偶联剂成功改性

9、 (记为 M-TiOlt;,2gt;)，甲基丙烯酸甲酯已成功包覆了 TiOlt;,2gt;(记为 P-TiOlt;,2gt;)。XPS 表征显示在 M- TiOlt;,2gt;表面存在 Ti、O、C 和 Si 元素，但在 P- TiOlt;,2gt;表面只检测到了 Ti、O、C 三种元素。对 P- TiOlt;,2gt;而言只检测到了 Ti2plt;,3/2gt;，但是两 种催化剂的 Ti2plt;,3/2gt;结合能都向低能端偏移了 0.7eV。 M- TiOlt;,2gt;的紫外-可见漫反射谱图和纯 TiOlt;,2gt; 的紫外-可见漫反射谱图相比没有明显差异，但 P-TiOlt;,2g

10、t;对紫 外-可见光的响应表现出红移，且在可见光区有吸收。 6.M- TiOlt;,2gt;和 P-TiOlt;,2gt;都显示出比 TiOlt;,2gt;高一倍以上的光催化活性，催化剂使用寿命延长了一倍。 但 M-TiOlt;,2gt;很不稳定，存在自身光催化降解问题。P- TiOlt;,2gt;显示出较强的稳定性，未发现自身光催化降解问题。硅 烷偶联剂在光催化反应中的作用被推断为羰基吸引光生电子，抑制了电子-空穴 对的复合，提高了光催化活性。 7.对于 Celt;,xgt;Zrlt;,1-xgt;Olt;,2gt;负载的样 品，随着锆含量的增加， TiOlt;,2gt;/Celt;,xgt

11、;Zrlt;,1- xgt;Olt;,2gt;比表面逐渐降低，带隙能先降低后升高， Ti2plt;,3/2gt;结合能位移是先增加后减小，其中 TiOlt;,2gt;/Celt;,0.5gt;Zrlt;,0.5gt;Olt;,2gt;具有.最高的光催化活性。随着 Mn 含量的增加， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.5-xgt;Zrlt;,0.5- xgt;Mnlt;,2xgt;Olt;,ygt;催化剂比表面降低，对 紫外一可见光的响应增强且表现出红移， TiOlt;,2gt;/Celt;,o.475gt;Zrlt;,0.475gt;M nlt;,0.05gt;Olt;,ygt;的 Ti

12、2plt;,3/2gt; 结合能向低能端偏移程度最大， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.475gt;Zrlt;,0.475gt;M nlt;,0.05gt;Olt;,ygt;具有最高的光催化活性。随着 La 含量的增加，TiOlt;,2gt;/Celt;,0.5- xgt;Zrlt;,0.5- xgt;Lalt;,2xgt;Olt;,ygt;催化剂比表面降低，晶 粒粒径逐渐增大，对紫外-可见光的响应表现出红移， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.425gt;Zrlt;,0.425gt;L alt;,0.15gt;Olt;,ygt;的 Ti2plt;,3/2gt; 结合能向低能端偏

13、移程度最大， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.425gt;Zrlt;,0.425gt;O lt;,ygt;具有最高的光催化活性。随着 Y 含量的增加， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.5-xgt;Zrlt;,0.5- xgt;Ylt;,2xgt;Olt;,ygt;催化剂比表面没有显著 变化，对紫外-可见光的响应表现出红移， TiOlt;,2gt;/Celt;,0.5gt;Zrlt;,0.5gt;Olt;,2gt;、TiOlt;,2gt;/Celt;,0.475gt;Zrlt;,0.475gt;Ylt;,0.05gt;Olt;,ygt;和 TiOlt;,2gt;/Celt;,0.

14、45gt;Zrlt;,0.45gt;Y lt;,0.10gt;Olt;,ygt;的 Ti2plt;,3/2gt;结 合能偏移程度最大，偏移值达到 0.6eV，TiOlt;,2gt;/Celt;,0.45gt;Zrlt;,0.45gt;Ylt;,0.10gt;Olt;,ygt;具有最高的光催化活性。 对 TiOlt;,2gt;/CeOlt;,2gt;-ZrOlt;,2gt; 催化剂中 CeO2-ZrO2 的作用进行了推断，可能是电子转移、 TiO2/CeOlt;,2gt;-ZrOlt;,2gt;在紫外区增强了吸收以 及 Ti2p 和 O(1s)结合能向低能端偏移等综合作用的结果。正文内容正文内容

15、近年来，由挥发性有机物所带来的空气污染问题日趋严重。在众多的治理 技术中，TiOlt;,2gt;光催化降解有机污染物作为一种理想的环境治 理技术而倍受关注。芳烃特别是苯，作为室内挥发性有机物的代表之一，结构 稳定，不容易被氧化降解。以 TiOlt;,2gt;为催化剂，利用光催化 氧化降解处理室内空气中的苯是一个很有效的方法，但是二氧化钛的失活却是 一个相当严峻的问题。因此，延长光催化剂的使用寿命同时提高它的催化活性， 成为亟待解决的问题。本文在以发光材料、储氧材料为载体和用硅烷偶联剂对 二氧化钛进行修饰的基础上，设计和制备了具有寿命长、催化活性高的光催化 剂，以气相苯为模拟污染物，考察了光催化

16、效果。主要研究内容及结果如下： 1用溶胶-凝胶法、水热沉淀法、钛酸四丁酯水解法制备了 TiOlt;,2gt;。溶胶-凝胶法工艺简单，便于操作。溶胶-凝胶法制备 的 TiOlt;,2gt;粉体具有最小的粒径和最高的比表面，500焙烧 2 h TiOlt;,2gt;粉体为锐钛型，600时向金红石型转化。表征结果 表明溶胶-凝胶法制备的 TiOlt;,2gt;粉体对可见光有较强的响应， Ti2p 结合能(eV)最低。溶胶-凝胶法制备的 TiOlt;,2gt;具有最高的 光催化活性，对气相苯的降解率最高，但催化剂使用寿命较短，因此有必要延 长光催化剂的使用寿命同时提高它的活性。 2在研究的实验条件下，苯在 0.2g TiOlt;,2gt;上的气相光催化降解符合 Langmuir-Hinshelwood 动力学模型，光催化反应速率常数 K 和 Langmuir 吸附常数 K 分别为 0.0064mgLlt;#39;-1gt;minlt;#39;-1gt;和 4.6719 Lmglt;#39;-1g