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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 改性納米TiO2的制備及光催化降解有毒有機(jī)污染物的研究
- 小類：
- 能源化工
- 簡(jiǎn)介：
- TiO2具有多種良好的性質(zhì),被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的光催化劑。但其僅對(duì)太陽(yáng)光中含量不到5％的紫外光(λ＜400nm)有作用，這類問題嚴(yán)重阻礙了TiO2的實(shí)際應(yīng)用。本作品采用元素?fù)诫s、復(fù)合兩種不同的方法來改性TiO2，即通過碘鈰共摻雜、銪摻雜、GO（氧化石墨）/TiO2復(fù)合三個(gè)途徑進(jìn)行改性，用降解羅丹明B的探針反應(yīng)篩選催化劑，并采用一系列測(cè)試手段進(jìn)行表征，所得的催化劑均有較好的可見光活性。
- 詳細(xì)介紹：
- TiO2（二氧化鈦）作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有穩(wěn)定性好、光效率高和不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的光催化劑。但其僅對(duì)太陽(yáng)光中含量不到5％的紫外光(λ＜400nm)有作用，這類問題嚴(yán)重阻礙了TiO2的實(shí)際應(yīng)用。本作品利用元素?fù)诫s、復(fù)合兩種不同的方法來改性TiO2，即通過碘鈰共摻雜、銪摻雜、GO（氧化石墨）/TiO2復(fù)合三個(gè)途徑進(jìn)行制備研究，通過降解染料羅丹明B(RhB)的探針反應(yīng)來篩選催化劑，并采用一系列測(cè)試手段對(duì)催化劑進(jìn)行表征，所得的催化劑均有較好的可見光活性。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：通過對(duì)TiO2的改性來提高其可見光光催化活性，得到性能更好的催化劑，并應(yīng)用到水體污染治理等領(lǐng)域中，從而改善生活和環(huán)境。 基本思路：本作品通過碘鈰共摻雜、銪摻雜、GO/TiO2復(fù)合三個(gè)途徑進(jìn)行研究制備改性納米TiO2。對(duì)其進(jìn)行物理表征，并檢驗(yàn)其可見光活性，通過對(duì)反應(yīng)過程中氧化物種的機(jī)理分析進(jìn)一步驗(yàn)證其催化反應(yīng)的合理性與可行性。還將其應(yīng)用到實(shí)際的水污染治理當(dāng)中，以驗(yàn)證其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 在改性技術(shù)中，元素?fù)诫s和復(fù)合是改變TiO2禁帶寬度最為有效的方法。稀土金屬、石墨等原料性能優(yōu)異，可能會(huì)顯著提高TiO2可見光活性。本課題首次1制備了碘鈰共摻雜TiO2。2對(duì)GO/TiO2的各種性能進(jìn)行了全面的表征分析。3針對(duì)銪摻雜，對(duì)其制備及催化條件進(jìn)行優(yōu)化。利用TEM,XPS,XRD及UV-Vis對(duì)催化劑進(jìn)行表征，并跟蹤了光催化體系中的氧化物種，對(duì)催化機(jī)理進(jìn)行了探究。處理藍(lán)藻藻華有良好降解效果。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 1、課題優(yōu)化了催化劑制備及使用中各種條件的最佳值，分析了催化機(jī)理，為以后的研究或應(yīng)用提供了重要的理論參考和依據(jù)。 2、催化劑制備方法比較成熟，條件易控，粒徑可調(diào)，試劑價(jià)格低廉，催化劑性能穩(wěn)定，可循環(huán)使用。 3、改性的TiO2具有良好的可見光活性，可大大提高光能利用率。且處理水污染效果良好，有望進(jìn)一步推廣。 4、改性的TiO2如GO/TiO2有穩(wěn)定的電容特性，有可能應(yīng)用到電極等領(lǐng)域中。
學(xué)術(shù)論文摘要
- TiO2作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有穩(wěn)定性好、光效率高和不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的光催化劑。但其僅對(duì)太陽(yáng)光中含量不到5％的紫外光(λ＜400nm)有作用，這類問題嚴(yán)重阻礙了TiO2的實(shí)際應(yīng)用。本作品利用元素?fù)诫s、復(fù)合兩種不同的方法來改性，即通過碘鈰共摻雜、銪摻雜、GO（氧化石墨）/TiO2復(fù)合三個(gè)途徑進(jìn)行制備研究，并采用TEM，XPS，XRD及UV-Vis測(cè)試手段對(duì)催化劑進(jìn)行表征，分析了摻雜元素與TiO2的鍵合狀態(tài)以及摻雜對(duì)TiO2晶型、形貌的影響。以可見光下降解羅丹明B(RhB)和水楊酸(SA)等為探針反應(yīng)篩選催化劑。采用過氧化物酶法、苯甲酸熒光光度法以及KI捕獲空穴實(shí)驗(yàn)跟蹤了光催化體系中的氧化物種，對(duì)催化機(jī)理進(jìn)行了探討。對(duì)GO/TiO2的各種性能進(jìn)行了全面的表征分析，利用循環(huán)伏安曲線及恒流充放電曲線表征了催化劑的電學(xué)性能。利用可見光下降解目標(biāo)污染物羅丹明B(RhB)的探針反應(yīng)優(yōu)化了銪摻雜TiO2實(shí)現(xiàn)最佳可見光活性的條件。將制備得到的可見光活性改性納米TiO2應(yīng)用到了實(shí)際的水污染治理當(dāng)中，如處理藍(lán)藻藻華，得到了良好的降解效果。所得的催化劑均有較好的可見光活性。
獲獎(jiǎng)情況
- 1、鐘永，蘭天龍，黃應(yīng)平. GO/TiO2復(fù)合物的制備、表征及其光催化性能研究三峽大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2010,(6):98-103 . 已見刊 2、蘭天龍，鄭云，方艷芬，鄧安平，黃應(yīng)平. 碘鈰共摻雜納米TiO2的制備及光催化性能研究. 已投環(huán)境化學(xué) 3、鄭云，楊靜，黃應(yīng)平. 銪摻雜TiO2的制備及其光催化活性的研究. 已投華中科技大學(xué)學(xué)報(bào) 4、2011年3月三峽大學(xué)第七屆“求索杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng) 5、2010年6月三峽大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院科技創(chuàng)新作品一等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- [1] 江宏富.TiO2的摻雜改性及光催化研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文,2006，11 [2] 籍宏偉, 馬萬紅, 黃應(yīng)平, 趙進(jìn)才. 可見光誘導(dǎo)TiO2光催化的研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報(bào), 2003, 48 (21):2199~2204. [3] Fujishima A, Hondo K, Electro chemical photolysis of water as semiconductor electrode[J]. Nature，1972, 37 (1), 238~245 [4] 周文明, 賀蘊(yùn)秋. 氧化石墨插層納米復(fù)合材料的制備研究進(jìn)程[J]. 材料導(dǎo)報(bào),2007, 21(Ⅸ):204~213. [5] 傅玲，鄒艷紅，何月德. 氧化石墨及其聚合物納米復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J]. 炭素技術(shù),2005,24(2):21~26. [6] 石建穩(wěn), 鄭經(jīng)堂, 趙玉翠. 納米TiO2光催化劑共摻雜的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展,2006,25(6).604~607. [7] Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, et al. Visible-Light Photocatalysis In Nitrogen-Doped Titanium Oxides[J]. Science,2001,293~269；271. [8] Hideki K, Akihiko K. Visible-Light-response and photocatalytic activit- ies of TiO2 and SrTiO3 photocatalysts codoped with antimony and chromium [J]. J.Phys.Chem. B.,2002,106(19):5029~5035. [9] 楊陳,楊昌軍,法文君,彭天右,昝菱. 單質(zhì)碘摻雜納米 TiO2光催化劑的制備及性能[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版)2008.54(6): 645~649.
同類課題研究水平概述
- 對(duì)TiO2進(jìn)行改性使其在可見光甚至是室內(nèi)光源的激發(fā)下產(chǎn)生活性物種一直是研究的熱點(diǎn)。在TiO2改性技術(shù)中，元素?fù)诫s和復(fù)合是改變TiO2禁帶寬度最為有效的方法。 其中在摻雜方面，由 Asahi等人首次發(fā)現(xiàn)N替代了TiO2晶格少量的氧，可提高其可見光活性以來。摻雜的改性TiO2光催化劑迅速引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，摻雜改性后的TiO2并被譽(yù)為第二代光催化材料。 在稀土摻雜上，Takamasa等分別用三氯化鈦、鈦酸丁酯兩種前軀體和硝酸銪采用高溫霧化方法得到了銪摻雜的TiO2，在X－射線衍射(XRD)圖上發(fā)現(xiàn)了Eu2Ti2O7的衍射峰，可能是少量的銪取代了鈦原子。楊水金等采用鑭摻雜TiO2作催化劑，在太陽(yáng)光作用下對(duì)品紅溶液進(jìn)行了光催化降解試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)鑭摻雜后，其粒子變小、電子和孔穴的復(fù)合幾率進(jìn)而變小，還拓展了吸收光譜范圍，從而提高了降解效果。但總體而言，在稀土摻雜方面，多局限于紫外光下的研究，其光能利用率較低。對(duì)銪摻雜TiO2的研究也不夠全面，碘鈰共摻雜納米TiO2的研究也幾乎沒有報(bào)道。因而本課題的摻雜方法有較好的創(chuàng)新性和可行性。 而在復(fù)合方面，常有窄帶半導(dǎo)體表面修飾、寬隙半導(dǎo)體修飾等形式；如：半導(dǎo)體CdS的禁帶較窄，而且導(dǎo)帶能級(jí)比TiO2的高，由于兩種半導(dǎo)體的禁帶發(fā)生交迭，在可見光波長(zhǎng)范圍，發(fā)生電子躍遷后，光激發(fā)產(chǎn)生的空穴留在CdS的價(jià)帶，電子則從CdS導(dǎo)帶遷到TiO2的導(dǎo)帶上，從而可以有效提高光催化劑中空穴電子對(duì)的分離率。文獻(xiàn)報(bào)道的TiO2復(fù)合體系主要有CdS- TiO2、SnO2- TiO2、WO3- TiO2、V2O5- TiO2等，這些復(fù)合體系幾乎都表現(xiàn)出高于單一半導(dǎo)體的光催化性能。 石墨經(jīng)強(qiáng)氧化劑氧化可以制得氧化石墨(Graphite oxide GO) 。自19世紀(jì)40年代 Brodie 首次合成氧化石墨以來有關(guān)氧化石墨的研究曾引起人們極大的興趣, 研究工作主要集中在氧化石墨的合成方法和結(jié)構(gòu)模型等方面。而對(duì)其光催化性能的研究較少。同時(shí)，氧化石墨是近幾年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)無機(jī)層狀材料之一，它與聚合物在納米水平上的有效復(fù)合形成的聚合物/氧化石墨納米復(fù)合材料是一類具有廣闊應(yīng)用前景的新型材料。但在半導(dǎo)體復(fù)合中氧化石墨的研究則較少，氧化石墨復(fù)合TiO2并用于可見光光催化方面的研究在國(guó)內(nèi)暫時(shí)還未被報(bào)道。因而本實(shí)驗(yàn)的改性方法有較好的開創(chuàng)性。
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