竹炭负载氟掺杂纳米氧化钛开题报告.doc

长 沙 学 院本科毕业论文开题报告 （2012届）系部： 生物工程与环境科学系 专 业： 应 用 化 学 学 生 姓 名： 杨 东 旭 班 级： 2 班 学号2008051201 指导教师姓名：方志薇 职称 副教授 2012年 2 月 29 日题目：竹炭负载氟掺杂纳米TiO2光催化剂的研究1. 结合课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写1000字以上的文献综述。一、背景在21世纪，科学技术发展在造福人类的同时，人们滥用科技导致“全球问题”日益引起人们的关注。其中环境问题中的水污染问题十分严重，大量的无机、有机污染物进入水体，不仅破坏水生生态系统，而且危害人体健康，造成水质性缺水使人们工农业生产、生活受到影响。因此，控制水体污染，保护水资源，是环境保护工作的重要任务，开发一种新型的废水处理研究方法是人类现阶段迫切需要的。目前对于利用太阳能进行废水处理的研究，对于保护环境，实现可持续发展具有重要的现实意义。光催化降解水中有机污染物是一项新兴的水处理技术。近年来，光催化技术被广泛用于空气净化、废水处理、化学防护等方面。这项新的多相光催化污染治理技术因其能耗低，工艺简单，反应条件温和，可减少二次污染等特点，在环境保护中日益受到人们的重视。纳米TiO2能有效地将废水中的有机物降解为C02、H20、P043-、N03-、卤素等无机小分子，达到安全无机化的目的，化工废水、农药废水、表面活性剂、氟里昂、含油废水等都可以被纳米TiO2所氧化降解。TiO2是一种重要的无机功能材料，具有优异的光学特性、光催化活性、热导性能和化学稳定性等物理化学特性，广泛应用于催化剂、太阳能转换、传感器、分解水制氢、介电材料、聚合物填料等。随着人们对TiO2研究的不断深入，其应用也得到广泛拓展。但由于粉末状的纳米TiO2颗粒细微，水溶液中易于凝聚，不易沉降，催化剂难以回收，活性成分损失大，不利于催化剂的再生和再利用，而通过TiO2光催化剂的负载，则既可以解决其分离回收难的问题，又能克服悬浮相催化剂稳定性差和容易中毒的缺点，是促进其广泛应用的有效途径。另一方面，由于TiO2禁带宽度Eg较大：锐钛矿为3.2 eV，金红石为3.0 eV，这分别相当于387.5 nm和414 nm 波长光的能量。二、纳米TiO2光催化机理1TiO2的带隙能为3.0eV3.2eV，等同于波长为387.5nm光的能量。在水和空气体系中，当能量超过氧化钛禁带宽度的光子照TiO2表面时，处于价带的电子会被激发到导带上，从而分别在价带和导带上产生活性较高的自由移动的光生电子(e)和空穴(h+)，达到纳米级分散的氧化钛，光激发产生的电子、空穴能够很快从体内跃迁到表面。空穴是强氧化剂，可以将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化OH；而导带电子则是强还原剂，被吸附在TiO2表面的溶解氧形成O2-；部分O2-可继续通过链式反应生成OH。其反应如下所示：生成的O2-和OH具有较强的氧化性，可攻击有机物的不饱和键，或抽取H 原子产生新的自由基,激发链式反应,对它们进行矿化氧化，最终致使污染物降解为无害的的H2O和CO2。三、TiO2改性研究近年来，TiO2因其出色的光催化性和亲水性以及化学性质稳定，无毒，价格低廉等优点而在光催化领域显示出巨大的应用前景。目前，TiO2薄膜的制备方法包括：溶胶-凝胶法2，磁控溅射法3，化学气相沉积4 ，喷雾分解法5等。制备的TiO2薄膜光催化活性较低，限制了TiO2的实际应用特别是在自清洁玻璃上的应用。由于TiO2光催化剂本身的一些缺陷，如光生电子和空穴易复合、可见光利用效率低等，一直制约着其光催化活性的进一步提高。为此，人们在提高TiO2的光催化活性和扩大其光谱响应范围等方面作了大量的工作。主要途径包括：半导体耦合、阳离子掺杂、表面超强酸化、阴离子掺杂、有机染料光敏化、贵金属表面沉积等。因此，提高TiO2薄膜的光催化活性成为当今的研究热点。2001年，Asahi等6报道了N 掺杂TiO2 因具备较低的禁带宽度，在可见光区域显示出了光催化活性，有效地提高了其光催化性能。此后，许多研究者通过在TiO2中掺杂非金属元素，如：N7，I8等将TiO2的光学吸收边移至可见光区域，提高其光催化性能。同时，有报道称 F 掺杂TiO2具备表面氧空穴，具有可见光响应光催化活性9，比普通的TiO2具备更佳的光催化性能。目前，F 掺杂TiO2 的制备方法包括溶胶凝胶法10、离子注入法11、喷雾热解法9,12、水热法13等。常压热分解化学气相沉积(APCVD)3法设备简单，成本低，样品制备快，成膜率高，可以满足高品质、大面积的TiO2 镀膜玻璃生产的需要14。张秀华等15以竹炭为载体，钛酸四正丁酯为钛源，通过溶胶凝胶法制备纳米TiO2复合材料，研究F/TiO2对罗丹明B液的暗室吸附规律和光降解性能。溶液的pH 对F/TiO2复合材料的吸附效果及光催化活性影响很大，在酸性条件下，F/TiO2复合材料对罗丹明B的吸附效果较好，TiO2光催化活性也比较高。李竹英等16以四氯化钛为前驱物, 采用改性的沉淀-溶胶-水热晶化法制备了一种具有锐钛矿型结构的氟掺杂的二氧化钛(F- TiO2) 溶胶. 研究了氟掺杂、水热晶化的温度、时间及介质pH 值对溶胶粒子的晶型和晶化度的影响. 黄冬根等17以四氯化钛为前驱物, 采用改性的沉淀-溶胶-水热晶化法制备了一种氟掺杂的二氧化钛(F/TiO2) 溶胶。研究了氟掺杂、时间、水热晶化的温度及介质pH 值对溶胶粒子的晶型和晶化度的影响.采用XRD, SEM, DRS技术及吸附、表面酸度测定等手段对溶胶粒子的结构进行表征。使用光催化剂降解污水中的有机物，是将有机物完全转化为CO2和H2O，治理方法具有很多其他方法无法取代的有点。制备竹炭负载F/Ti02复合型催化剂受自身因素、光催化反应条件和目标反应物等因素的影响，反应一段时间后，催化会出现失活现象，可以通过紫外光照射、通入洁净空气、微波辐射、高温处理等方法可以使其光催化剂活性完全或部分恢复，实现催化剂的再生。黄雯等18研究结果表明从工艺成本和时间考虑，用微波辐射实现活性炭负载复合型催化剂再生的方法最为理想。参考文献： 1 李炜罡，霍冀川，刘树信等. 负载型TiO2光催化剂研究进展 西南科技大学材料科学与工程学院, 陶瓷学报 , Journal of Ceramics，2004年 02期2 张世英, 周武艺, 周艺 等. 纳米二氧化钛纤维的制备及其光催化活性J. 硅酸盐学报, 2006, 34(1): 5559. ZHANG Shiying, ZHOU Wuyi , ZHOU Yi, et al. J Chin Ceram Soc (in Chinese), 2006, 34(1): 5559. 3 赵青南, 刘保顺, 赵修建等. 基片温度对直流反应磁控溅射法制备玻璃基TiO2 薄膜结构与亲水性的影响J. 硅酸盐学报, 2003, 31(7): 678681. 4 宋晨路，刘军波,翁伟浩，翁文剑等，常压化学气相沉积法制备氟掺杂氧化钛自清洁薄膜J.杭州 310012.5 马铭, 翁文剑, 杜丕一 等. 喷雾热解TiO2 薄膜成膜机理及超亲水特性分析J. 硅酸盐学报, 2005, 33(1): 120125. 6 ASAHI R, MORIKAWA T, OHWAKL T. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides J. Science, 2001, 293: 269271. 7 NAKAMURA R, TANAKA T, NAKATO Y. Mechanism for visible light responses in anodic photocurrents at N-doped TiO2film elec-trodes J. J Phys Chem B, 2004, 108: 1061710620 8 HONG X T, WANG Z P, CAI W M, et al. Visible-light-activated nanoparticle photocatalyst of iodine-doped titanium dioxide J. Chem Mater, 2005, 17: 5481552. 9 LI D, HANEDA H, LABHSETWAR N K, et al. Visible-light-driven photocatalysis on fluorine-doped TiO2 powders by the creation of sur-face oxygen vacancies J. Chem Phys Lett, 2005, 401: 579584. 10 YU J C, YU J G, HO W, et al. Effects of Fdoping on the photocata-lytic activity and microstructures of nanocrystalline TiO2powders J. Chem Mater, 2002, 14: 38083816. 11 YAMAKI T, UMEBAYASHI T, SUMITA T, et al. Fluorine-doping intitanium dioxide by ion implantation technique J. Nucl Instrum Methods Phys Res, Sect B, 2003, 206: 254258. 12 LI D, HANEDAA H, HISHITAA S, et al. Fluorine-doped TiO2pow-ders prepared by spray pyrolysisand their improved photocatalytic ac-tivity for decomposition of gas-phase acetaldehyde J. J Fluorine Chem, 2005, 126: 6977. 13 HO W, YU J C, LEE S C. Synthesis of hierarchical nanoporous F-doped TiO2spheres with visible light photocatalytic activity J. Chem Commun, 2006, 10: 11151117. 14 王薇薇, 郭玉, 张溪文, 等. APCVD 法制备掺氮二氧化钛薄膜及其性能研究J. 功能材料与器件学报, 2006, 12: 187191. WANG Weiwei, GUO Yu, ZHANG Xiwen, et al. J Funct Mater Devic (in Chinese), 2006, 12: 187191.15 张秀华，周云龙，胡志彪，张著森，钟 玲TiO2/竹炭复合材料处理废水中的罗丹明B龙岩学院，福建 龙岩 36401216 李竹英，韦顺文，柴立元，彭 兵,中南大学 冶金科学与工程学院，中南大学学报：自然科学版 EI CA CSCD 2009年第1期 TQ455.1, 1672 7207(2009)01 0055 0517 黄冬根 廖世军 党 志 氟掺杂锐钛矿型TiO2 溶胶的制备、表征及催化性能 华南理工大学化学科学学院 广州 51064118 黄雯，杨家宽，范双艳等活性炭负载TiO2的甲苯光催化降解性能研究J工业催化，2007，15（10）1-62. 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案。1) 选题依据：纳米TiO2光催化剂具有活性高、适用范围广、反应彻底且无二次污染等优点，在空气净化、海洋石油污染清除、污水净化、抗菌杀菌等领域具有广阔的应用前景,极具发展潜力的一种绿色环保型光催化剂。溶胶- 凝胶法是目前制备多孔TiO2薄膜的主要方法。该方法工艺简单，原材料价格低廉，可以在低温制备高纯度、透明和化学成分均一的纳米TiO2薄膜。但由于结晶不完全，其光催化活性一般较低。近年来人们发现利用F离子对TiO2表面进行修饰可大大改善薄膜的光催化性能。化学吸附到TiO2表面F离子，可以在紫外光照射下促进羟基自由基生成，从而可提高苯酚和酸性橙7等底物的降解。光致亲水性测试结果表明：表面氟化可增薄膜在紫外光照射下表面水接触角的降低速率。2)研究内容：采用溶胶-凝胶法法制备氟掺杂纳米二氧化钛，将其负载于竹炭上，制备氟掺杂纳米TiO2负载玻璃纤维光催化剂。分别研究氟掺杂与钛含量的比例、纳米氧化钛直径大小影响和光催化性能之间的关系。3）具体方案：一、载体竹炭预处理将竹炭用沸水煮沸、过滤，超声、震荡洗涤，以去除粉尘和表面的残留物，于100度下烘干备用。二、溶胶凝胶法制备氟掺杂氧化钛溶胶溶胶-凝胶法是实验室最常用的光催化剂制备方法之一59-61。本研究以钛酸丁酯为有机钛源，钛酸丁酯极易水解，甚至在空气中也可吸收空气中的少量水分而发生水解，并形成水合氧化钛沉淀，即TiO2xH2O (或者TiO(OH)2xH2O)，如下式所示：Ti(OC4H9)4+2H2OTi(OH)2(OC4H9)2+2C4H9OH (2.1)Ti(OH)2(OC4H9)2+ xH2OTiO2xH2O+2C4H9OH (2.2)同时为了得到均匀稳定的TiO2溶胶，通常以无水乙醇为溶剂，为钛酸丁酯提供一个稳定的水解环境，并加入一定的酸以抑制钛酸丁酯的水解速率。钛酸丁酯通过搅拌、水解后可得到TiO2溶胶，1、 溶胶-凝胶法制备氟掺杂纳米氧化钛的方法：向三口烧瓶中加入0.1mol（34g）的钛酸丁酯，再加入0.8mol(36.8g)无水乙醇，塞紧胶塞后用搅拌器搅拌1小时，维持温度为40度。再加入X（X为氟的掺杂比例）氟化铵，搅拌使氟化铵全溶后，再加入0.1mol(3.6g)的去离子水，再用浓硝酸调节其PH至2，搅拌1-2小时，待分散均匀，静置一段时间即可得溶胶。分别制取氟掺杂量为0%、0.5%、1%、3%、5%的溶胶。三、负载1、负载(将预处理好的粒径为01246 01520 mm 的竹炭放在表面皿里, 加入一定量的已制备好的溶胶, 浸渍30m in,， 于100 烘箱内烘干（1h）, 此为一次负载过程。2、煅烧将负载好TiO2 胶体的竹炭放在马弗炉, 从室温开始, 然后继续升温至500 焙烧2 h, （注：马弗炉的门应打开一点，以防材料烧黑） 再随炉自然冷却到室温, 得到竹炭负载二氧化钛复合型光催化剂T iO2. 冷却，称重。3、负载量的测定干燥的竹炭在洗涤后，未浸渍前的质量为M1, 竹炭负载掺杂纳米TiO2煅烧冷却后的质量为M2,计算竹炭负载掺杂纳米TiO2的负载量，计算公式如下(2.2)： 负载量=(M2 M1)/ M1100 % (2.2) 四、光催化降解甲基橙1、甲基橙溶液的配制准确称取甲基橙0.0045 g加入去离子水使其充分溶解，转移到500 ml的容瓶中并定容，制得9 mg/L的甲基橙。采用722S可见分光光度计在464 nm处测定甲基橙的吸光度，此为开始光照时溶液的