学术硕士学位论文开题报告-冯氏云.doc

硕士学位论文开题报告001面TiO2光催化剂的制备及其光催化活性研究研 究 生： 冯氏云 指导教师： 胡芸 学 号： 201020140251 学 院： 环境科学与工程学院 专 业： 环境科学 华南理工大学研究生院二一二年三月一、摘要论文题目中文001面TiO2光催化剂的制备及其光催化活性研究英文The Preparation of Anatase TiO2 with 001 facets and its Photocatalytical Activity 摘 要（不超过800字）TiO2的001面具有很高的光催化活性，但是由于001面具有较高的表面能，大多数可用的锐钛矿晶体主要由热力学稳定的101晶面构成，本文以HF为形状控制剂，采用水热法合成001面TiO2，以罗丹明B为模型反应物，考察了其在紫外光下的光催化性能，及其不同的光催化条件对反应的影响。关键词中文001面，TiO2光催化剂，光催化活性英文001facets/ titanium oxides Photocatalytical/ Photocatalytical Activity1、关键词数量不少于三个； 2、关键词之间空一格（英文用/分隔）二、立题依据1. 光催化原理光催化过程是指分子吸收光能后变成激发态而发生各种反应。半导体的基本能带结构是由价带和导带构成的，半导体内存在一系列的满带，最上面的满带称为价带；半导体内亦存在一系列的空带，最下面的空带称为导带；价带和导带之间为禁带。基本的光物理和光化学基本原理已经建立并被很多文献报道1。TiO2是一种n型半导体，禁带能约为3.2 eV (锐钛矿型)，相当于波长为387.5nm的光子能量。当TiO2受到波长小于或等于387.5nm的光子能量照射时，价带的电子跃迁到导带上，从而产生了光生电子(e-)-空穴(h+)对。以下的链反应已经被广泛假定2：光激发： TiO2/SC+he- + h+ (1)氧气电离吸附： （O2）ads + e-O2- (2)水的离解： H2OOH- + H+(3)超氧基的质子化： O2-+H+HOO (4)过氧羟基自由基在（4）式中形成，同时也具有净化性质，比如O2，因此延长了光生空穴的寿命： HOO+ e-HO2- (5) HOO- + H+H2O2 (6)氧化和还原可以同时在光激发半导体催化剂表面发生，如图1。只有氧气消除掉电子而形成超氧自由基，它的质子化形式过氧羟基自由基和后来的双氧水，电子和空穴间才发生复合。3图1.光子激发半导体产生的光物理和光化学过程图.（p）光生电子/空穴对，（q）表面复合，（r）体相的复合，（s）半导体表面上电子受体的扩散和还原，（t）半导体颗粒表面底物的氧化。反应产生的羟基自由基(OH)、超氧离子自由基(O2-)以及HO2自由基都具有很强氧化性，能直接把有机物氧化为CO2和H2O等无机小分子。42. TiO2光催化剂的应用 现代工业的发展给人类的生活带来日新月异的变化，但是却给环境带来了很大的污染问题。许多国家投入了大量人力物力用于环境净化材料及环境治理技术等方面的研究和开发5,6。TiO2有3种晶体结构：板钛矿型、锐钛矿型、金红石型。TiO2在降解多种环境污染物表现出优异的能力，TiO2光催化剂具有安全无毒，化学性质稳定，能效高，无污染等优点被广泛应用于各个领域7,8。其中包括水处理治理，降解各类有机污染物、染料、杀虫剂等17-21；而TiO2在大气污染方面亦可用来去除VOCs，NOx，甲醛，臭味等；在能源方面可用于光分解产生氢气；在医疗方面，纳米催化剂应用于抗菌，杀菌等9-12。3. 001面TiO2光催化剂研究现状TiO2在降解多种环境污染物中表现出优异的光催化性能，但是TiO2存在一定的问题：其光生电子空穴复合率较高，量子效率低，导致光催化活性有所下降。001面TiO2光催化剂相较101面TiO2具有更高的光催化活性，然而像001面这样的高活性表面在晶格生长过程中通常会迅速减少，大部分可用的锐钛矿TiO2晶格主要为101面(94%)。有研究发现F可抑制其它晶面的生长，有利于001面形成13。此研究主要研究反应条件对001面TiO2在光催化反应过程中的影响。 自从1972年日本学者Fujishima和Honda7在n型半导体TiO2单晶电极上实现了水的光电催化分解制氢气以来，多相光催化技术引起全世界科技工作者的极大关注。08年Lu13等人发现采用F可有效抑制其它晶面的生长，有利于001面形成。这对光催化领域发展具有非常重大的指导意义。Lu13等人报道了通过HF作为形状控制剂合成的锐钛矿TiO2微晶具有47%高能001面。此外，锐钛矿单晶F表面可以很容易地使用清洁热处理无氟表面，而不改变晶体结构和形态。 Han14等人用HF作为溶剂合成锐钛矿TiO2纳米片具有89%001面，充分利用了氟离子对001表面的稳定效果，另外，其光催化降解水中有机污染物具有非常好的光催化效果。 蔡陈灵15等人采用非水体系溶剂热法制备了001面暴露的锐钛矿相F/TiO2纳米光催化剂，结果亦表明：F的掺杂对TiO2纳米单晶的形成影响很大。基于本课题组的前期研究16，研究亦表明：以钛酸丁酯为钛源、HF 为形貌控制剂，采用简单的水热法可合成具有高催化活性表面的 001 面纳米TiO2。在紫外光下具有较高的光催化活性，且随着F含量增加，其光催化活性先逐渐增加后减小，紫外光照射20 min后罗丹明B最高降解率可达80%以上。4. 小结综上所述，001面TiO2在环境应用方面具有良好的前景，是目前国内外研究的热点之一。通过HF作为形状控制制改性合成001面TiO2提高其中紫外光下光催化活性亦具有可行性。5. 主要参考文献及出处1 Juan Zhao, Xudong Yang. Photocatalytic oxidation for indoor air purification: a literature reviewJ. Building and Environment, 2003, 38: 645-654.2 Umar Ibrahim Gaya, Abdul Halim Abdulah. Heterogeneous photocatalytic degradation of organic contaminants over titanium dioxide：A review of fundamentals, progress and problemsJ. Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry Reviews , 2008, 9: 1-12.3 陈建华, 龚竹青. TiO2半导体光催化材料离子掺杂M. 北京: 北京科学出版社, 2006: 2-54 高镰, 郑珊, 张青红. 纳米氧化钛光催化材料及应用M. 北京: 化学工业出版社, 2002. 25-34)5 江海军，张瑾，奚丽荷，等. TiO2半导体光催化剂在污水处理中的研究进展J. 材料导报. 2007, 21(F05): 54-57.6 Juan Zhao, Xudong Yang. Photocatalytic oxidation for indoor air purification: a literature reviewJ. Building and Environment, 2003, 38: 645-654.7 Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semconductor electrode J.Nature, 1972, 238: 37-38。8 韩世同, 习海玲, 史瑞雪, 付贤智, 王绪绪. 半导体光催化研究进展与展望J. 化学物理学报, 2003, 16 (5) : 340-349.9 钟璟, 邢卫红, 徐南平, 等. 废水中有机污染物高级氧化过程的降解J. 化工进展, 1998, 4: 51-5310 詹雪艳, 宋丹丹, 曾胜年, 等. TiO2光催化去除有机污染物的研究进展J. 化学研究与应用, 2002, 14(4): 387-39011 Cai R, Hashimoto K, Kubota. et a1.Incremenr of photocatalytic killing of cancer cells using TiO2 with the aid of superoxide dismutaseJ. Chem. Lett., 1992, 243(3): 427-43012 周铭. 纳米TiO2研究进展J. 涂料工业, 1996(4): 36-39)13 HuaGui Yang, ChengHua Sun, et al. Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facetsJ. Nature, 2008, 453: 638-642.14 Xiguang Han, Qin Kuang, et al. Synthesis of Titania Nanosheets with a High Percentage of Exposed (001) Facets and Related Photocatalytic PropertiesJ. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131: 31523153.15 蔡陈灵,王金果,曹锋雷,李和兴,朱建. 非水溶剂热法制备(001)面暴露的F/TiO2纳米晶及其光催化活性J. 催化学报, 2011, 32 (5) :862-871.16 龚倩，胡芸，韦朝海. 001面TiO2纳米片的制备及其不同含F量对光催化活性的影响J. 硅酸盐通报, 2011, 30(6): 1367-1370.17 Frank A J, Kopidakis N, Lagemaat J. Electrons in nanostructured TiO2 solar cells: transport, recombination and photovoltaic propertiesJ. Coordination Chemistry Review, 2004, 248: 1165-1179.18 Kikuchi Y. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 thin films: dynamic view of the active oxygen species responsible for the effectJ. J. Photochem. Photoboi. A: Chem, 1997, 106: 51-56.19 Cai R, Hashimoto K, Kubota. et a1.Incremenr of photocatalytic killing of cancer cells using TiO2 with the aid of superoxide dismutaseJ. Chem. Lett., 1992, 243(3): 427-430.20 周铭. 纳米TiO2研究进展J. 涂料工业, 1996(4): 36-39.三、研究方案及工作基础1、研究目标、研究内容及拟解决的关键问题2、拟采取的研究方法及技术路线3、研究工作基础 1. 研究目标、研究内容及拟解决的关键问题1.1 研究目标本课题旨在研究001面TiO2，通过水热法合成001面TiO2，希望能提高光催化反应的量子效率，通过控制不同的反应条件考察对光催化化活性的影响，分析001面TiO2光催化降解水中有机污染物的机理，为TiO2的产业化研究提供基础数据。1.2 研究内容（1）通过HF作为形态控制剂，采用水热法合成001面TiO2。（2）不同反应条件对光催化活性的影响实验。1.3 拟解决的关键问题（1）研制筛选出001面TiO2光催化剂，使催化活性提高。并通过表征手段证实001面的形成。（2）研制筛选出最佳反应条件，解析其光催化降解有机物的机理，希望使有机物彻底无害化降解，为处理有机污染物的环境友好型处理新技术提供支持。2. 拟采取的研究方法及技术路线2.1 研究方法001面TiO2合成路径2.2 技术路线（1）通过自制的反应器，考察所制备样品的光催化活性。（2）不同pH对光催化活性的影响。（3）不同催化剂含量对光催化活性的影响。（4）表面F对光催化活性的影响。3. 研究工作基础在研究生一年级，针对自己的研究领域，看了些文献，期间在老师的指导下。掌握了一定的专业理论知识和实际操作基础。在研究生二年级期间，通过查阅文献及老师的指导，学会了主要试验仪器的操作和个种主要分析测试手段的试样的制备等，对001面TiO2已具有一定的理论认识，对今后的进一步研究提供了有力的基础。四、论文工作计划及预期成果论文工作进度安排起止时间工作内容备注2011.11.-2012.2文献调研、资料整理，确立课题的研究内容，建立相应的分析方法。2012.3.-2012.6完成研究内容（1）2012.7.-2013.2完成研究内容（2）2013.3-