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1、食品安全已经成为世界各国科学工作者重点研究的问题。农产品是食品安全中的突出 对象，提高农药残留处理技术是食品安全领域广泛研究的热点。光催化氧化法能耗低，能 有效地将有机污染物转化为h2o、co2、无机离子等小分子，达到完全矿化的目的，避免 了对人体健康的危害。目前国内对该技术大都还只限于实验室研究水平，且进展缓慢。本 文作者采用溶胶-凝胶法成功制备了稀土掺杂改性纳米TiO2粉体，利用XRD, UV-vis等手 段对样品的结构、形貌、成分和光谱特性进行了表征。得到的主要结论如下：以钛酸正四丁酯为原料，采用溶胶-凝胶法成功制备了稀土 La3+、Ce3+单掺杂及La-Fe、 Ce-Fe、La-Ce共
2、掺杂纳米TiO2粉体。粉体颗粒均匀，晶粒粒径在1467nm范围内，随着 热处理温度的升高，晶粒逐渐增大。掺杂纳米TiO2粉体颗粒均匀，掺杂纳米TiO2粉体的 粒径比未掺杂纳米TiO2粉体的粒径小，说明掺杂抑制了纳米晶体的生长。稀土离子掺杂可以抑制TiO2锐钛矿相向金红石相的转变，提高相转变温度；还可以抑 制纳米晶体的生长，起到细化晶粒的作用；La3+离子的抑制能力比Ce3+离子的抑制能力强。 稀土-金属共掺杂更好地抑制了 TiO2从锐钛矿相向金红石相的转变。稀土掺杂纳米TiO2的 紫外-可见吸收边带位置发生红移现象。纳米TiO2光催化剂的光催化性能在掺杂后得到明显提高，其中La3+的最佳掺杂量
3、为 0.5%，Ce3+的最佳掺杂量为1%，最佳热处理温度为500C。稀土-金属共掺杂纳米TiO2光 催化剂产生了协同效应，其光催化性能优于单掺杂样品，以La0.5%-Fe0.5%共掺杂效果最 佳。关键词 溶胶-凝胶；光催化；稀土掺杂；纳米TiO2；降解农药AbstractFood Safety has already become a serious problems in the front of scientist around the world. Among them Agricultural products is the most severe. Improving Pestici
4、de Residues treatment is one of the hot spots in Food Safety field. Photocatalytic oxidation method has many advantages such as it has low energy consumption, can effectively degrade some organics into H2O,CO2 and other small molecules, so it avoid secondary contamination. At present, this technolog
5、y is limited in the laboratory level in China. In this thesis, the RE doped TiO 2 were prepared by sol-gel method, the structure, shape and spectrum characteristic were characterized by XRD, FE-SEM, EDS, FT-IR and UV-vis. The photocatalytic activities were evaluated by degradation of methyl orange a
6、nd chloramine phosphorus. At the same time, we investigated the influence of process parameters on the fabrication of doping TiO 2. Furthermore, we analyed the reaction kinetic of organics photocatalytic degradation process. The results are as follows:Using Ti(OC4H9)4 as precursor, the La3+、Ce3+ sin
7、gle doped and La-Fe, Ce-Fe co-doped TiO2 were prepared by sol-gel method. The particle size of the powder is homogeneous, particle size is about 1035nm. With the annealing temperatures increasing, the particle grown. The particle size of RE doped TiO 2 is smaller than pure TiO 2 ,we consider that do
8、ping restrain the growth of crystal.The results show that the doping with optimum RE could restrain the crystal structure changing. RE doping has the effect of refining, and La 3+ doping is better than Ca3+ doping. The co-doping with optimum RE and metal can restrain the transform of anatase structu
9、re to rutile structure and the growth of crystal more effectively. FT-IR results show that Infrared absorption bands of RE doped TiO2 has been broaden, and characteristic vibration peak of Ti-O is red-shift. UV-vis results show that the absorption sideband of La3+ doped TiO2 has red-shift and widen
10、the spectrum absorption range.After RE doping, the photocatalytic of TiO 2 has been highly improved. The optimal doping of La3+ was 0.5mol%, Ce3+ was 1mol%, and annealing temperature of 500 C. The co-doping of RE and metal show a synergistic effect for photocatalytic activity of TiO 2. The co-doped
11、TiO 2 show higher photocatalytic activity in degradation of methyl orange than that of single doped TiO2. Titania co-doped with La-Fe for n(La):n(TiO2)=0.5%, n(Fe):n(TiO2)=0.05% have the highest photocatalytic efficiency.Key words Sol-gel,Photocatalysis , RE doping , NanoTiO2 , Degradation of pestic
12、ide目录摘要IAbstractII目录I第1章绪论11.1课题背景11.2半导体光催化的基本原理11.2.1 TiO2的晶型及结构11.3稀土掺杂纳米TiO2的概况21.3.2掺杂TiO2光催化活性的影响因素31.4本论文研究的目的、意义及内容51.4.1研究的目的和意义5142研究内容5(1)稀土掺杂TiO2光催化剂的制备和表征5第2章实验过程及方案62.1实验原料62.2实验仪器与设备62.3工艺流程及控制因素62.3.1工艺流程62.3.2控制因素72.4实验方案的选择92.4.1、原料的选择92.4.2、热处理温度的选择102.4.3、降解工艺的选择102.5分析测试方法及目的102
13、.5.1光催化剂的表征10第3章稀土掺杂纳米TiO2光催化剂的制备及表征123.1溶胶-凝胶法制备纳米TiO2粉体123.1.1制备原理123.1.2制备过程123.2纳米TiO2粉体的表征133.2.1 XRD 分析133.2.5 UV-vis 分析193.3本章小结20主要结论21参考文献22致谢24第1章绪论1.1课题背景随着人类健康意识的不断提高，人们越来越重视食品安全技术的开发与应用。如何有 效地降解各种农药对农产品的污染是食品安全问题的重点内容，开发能把各种有机农药无 害化的实用技术是各国科研工作者的主要研究工作。长期以来，对污染物的处理主要采取 物理分离法、化学氧化法和生物处理法
14、，这些方法在起到了一定程度的作用，但是都还存 在局限性。物理分离法只是将污染物浓缩或从一相转移到另一相，污染物并为消除；化学 氧化法不能将有机物彻底分解，产生二次污染；生物处理法受温度、pH值和污染物种类的 限制。因此，开发高效、低能耗、适用范围广和有深度氧化能力的化学污染物消除技术一 直是环保技术追求的目标。1972年Fujishima和Honda在Nature杂志上发表了一篇关于TiO2电极上光催化分解水 的论文标志着多相半导体光催化研究时代的开始。1976年Frank等人在光催化降解水 中污染物方面进行了开拓性的工作，他们研究TiO2单晶电极/氙灯作用下对二苯酚、I-、Br-、 CI-、
15、Fe2+、Ce3+和CN-的光解，后来用TiO2粉末降解水中污染物亦取得了满意的效果3-4。大量的实验研究表明光催化技术能有效消除水中的各类有机污染物如烷烃、酚类、简 单的芳香化合物及其卤代物、羧酸、含氮有机物、染料、有机杀虫剂等，并能将有机污染 物彻底转化为无毒的H20、C02、PO43-、SO42-、N03-、卤素离子等无机小分子，达到完全 矿化的目的，具有传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的优势，光催化技术可 利用太阳光在室温下发生反应，反应条件温和、比较经济。因此，光催化是一种具有广阔 前景的绿色环保治理技术。1.2半导体光催化的基本原理1.2.1 TiO2的晶型及结构TiO2
16、有三种晶体结构，这些结构的共同点是，其组成结构的基本单位是TiO6八面体。 这些结构的区别在于TiO6八面体是通过共用顶点还是共边组成骨架。金红石的结构是建 立在O的密堆积上。板钛矿结构是由O密堆积而成的，Ti原子处于八面体中心位置，不 同于金红石结构。锐钛矿结构是由TiO6八面体共边组成。而金红石和板钛矿结构则是由 TiO6八面体共顶点且共边组成。锐钛矿实际上可以看作是一种四面体结构，而金红石和板钛矿则是晶格稍有畸变的八 面体结构。它们的结构如图1-1所示。O|0,Ojc图1-1金红石、锐钛矿和板钛矿的TiO6八面体结构金红石、板钛矿、锐钛矿型TiO2是在自然界中天然存在的。其中金红石型TiO2是热 力学的稳定相
