_20200909_115706毕设答辩ppt 王森1

1、磁载核壳型TiO2复合光催化剂的制备及其应用学院：医疗器械与食品学院专业：食品质量与安全专业学生：王森学号：1119050120指导老师：周化岚一、毕业设计(论文)的目的和要求：随着我国经济的长足发展，食品问题愈来愈受到重视，而近年来城市自来水、饮用水污染问题频频爆出，引起人们的普遍担忧。饮用水污染大多是有机污染，而半导体光催化反应是多相催化反应，且能够无选择的降解几乎所有有机污染物，相较于传统的催化氧化剂， 由于其成本高昂、具有特异性的降解有机物、降解速率与成本成正比关系等等因素而拥有巨大的优势。本研究的目的是制备- Fe2O3/SiO2/TiO2复合光催化材料，以期望利用各组分之间的协同效

2、应来提高光催化效率，以高效解决水污染问题。光催化技术的原理：当能量大于或等于能隙的光 照射到半导体时可激发半导体产生光生电子-空穴对, 激发电子跃迁, 空穴在价带中产生,并在静电场作用下两两分离并迁移到粒子表面。光生空穴因具有极强的氧化能力, 将吸附在其表面的OH-和H2O分子氧化成OH,而几乎所有有机物 都能被OH无选择地氧化。光催化技术降解有机污染物彻底、环境友好、无二次污染，很有发展前景。但是对光的利用率不高、光生电子-空穴复合率高、纳米颗粒状光催化剂回收困难等问题阻碍光催化技术的应用。二、毕业设计的技术要求与数据4此次毕业设计主要以-Fe2O3/SiO2/TiO2复合光催化剂作为对象来

3、研究光催化剂，采用有机污染物的光催化降解反应为模型反应，对光催化反应过程及机理做进一步研究， 对其性能进行表征测试，考察其光催化性能，给出构效关 系.砖红色磁性- Fe2O3/SiO2/TiO2浅灰色Fe2O3/SiO2/TiO2空气中450 煅烧2h超声3h钛酸四丁酯磁分离乙醇，水过滤洗涤90烘干12h超声15min超声15min去离子水+异丙醇深棕色SiO2/Fe3O4+异丙醇TEOS磁分离乙醇，水过滤洗涤90烘干12h超声3h超声15min超声15min去离子水+异丙醇磁 分 离 反应釜中12h乙醇，水过滤洗涤90烘干12h磁性黑色Fe3O4 纳米粒子+异丙醇-Fe2O3/SiO2/Ti

4、O2的制备过程FeSO4 +Na2S2O3空穴与表面的H2O或OTHit-l离e子in反空穴具有强氧化性应h生e成r羟e基激发态的电子和空穴合并自由基当以能量大于或等于其禁带宽度的光照射半导体部分电子和空 穴无法在表面 复合提前反应， 未跃迁至表面。使有机污染物被完全降解激发产生光生电子-空穴对电子与表面氧分子T反it应le，i而n电子具有强还原性氧分子生成h羟er基e自由基第 5 页光催化反应的简易流程图X射线粉末衍射光谱（XRD）分析图3-1 Fe3O4 的X射线衍射图图3-1 Fe3O4 的X射线衍射图为了研究新制备合成的磁载核壳型TiO2复合的晶体结构，对其复合光催化材料进行了XRD测

5、定分析，结果见图3-2，-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒均具有典型的锐钛矿结构特征峰2值，即25.06(101)，37.46(004)，47.7(200)，53.8(105)和62.2(211)。在所制备的所有复合光催化材料中我们不仅观察到锐钛矿相TiO2的衍射峰，而且还观察到有关-Fe2O3的衍射峰的存在，即35.86(311)，43.76(400)，53.4(422)， 59.86(333)与62.54(440)，但是并没有观察到SiO2的任何衍射峰的存在，这说明SiO2在粒子中可能是非晶态形式存在的，并且包裹在TiO2晶体中，含量偏低。与纯Fe3O4相比，我们发现-Fe2O3/S

6、iO2/TiO2纳米颗粒的峰形稍有变宽，Fe3O4特征峰强度变弱，证明复合材料的粒子为纳米尺寸，晶粒尺寸变大。图3-3 在不同温度煅烧下的-Fe2O3/SiO2/TiO2的X射线衍射图从图3-3中可以得到，当煅烧温度大于4000C时，可以观察到TiO2的锐温会使-钛矿晶型的形成。随着温度升高，材料的磁性能降低说Fe2O3磁性能降低，煅烧温度过低，不利于锐钛矿晶型的形成的形成， 所以煅烧过程温度选择4500C最为合适。3.1.2 X射线光电子能谱(XPS)测试XPS全谱O1S电子的XPS谱X射线光电子能谱(XPS)测试常用于分析一些多元素的纳米粒子的组分，确定所含元素价态。从图X-射线光电子能谱

7、（XPS）中可以看出，制备出的纳米材料是- Fe2O3/SiO2/TiO2 纳米粒子。X-射线光电子能谱（XPS）的全谱图（如图3-4 A）中含有：Fe元素、Si 元素、Ti元素、O元素。O1S(如图3-4B)的结合能是530.19eV对应于-Fe2O3/SiO2/TiO2中的氧原子，Si2p(如图3-4C)的结合能是102.19eV对应于 - Fe2O3/SiO2/TiO2中的硅原子，Ti2p(如图3-4D)谱线由两个强度不等的峰，分别是459.0eV与464.8eV，对应于 -Fe2O3/SiO2/TiO2中的钛原子Si2p电子的XPS谱Ti2p电子的XPS谱Fe2p电子的XPS谱Fe元素

8、的P轨道是自旋轨道裂分的，就包括p2/3和p1/2轨道， 它们的关系是对应某个化学状态的峰面积比例为2:1，而 半高峰宽基本一致，结合能则有一定的差值的，Fe2p1/2与Fe2p3/2是两种不同的自旋量子数的原子，由于杂化类型不一样 所构成的晶型也不一样，从图2-4E中可以看出Fe2p1/2 电子结合能是710.5eV与Fe2p3/2 结合能是724.3eV，并且在结合能为719.2eV（图3-4E中箭头指向处）有一个小的峰值，是-Fe2O3的特征峰，表明有Fe3+出现，表明浅灰 色的Fe3O4/SiO2/TiO2纳米粒子在4500C空气中煅烧后氧化成浅红色的-Fe2O3/SiO2/TiO2纳

9、米粒子。扫描电子显微镜（SEM）-Fe2O3/SiO2/TiO2的扫描电子照片-Fe2O3/SiO2/TiO2的EDS图谱为了研究合成的-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒的形貌特征，对其复合光催化材料进行了SEM和EDX表征，结果见图2-4，-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒大小较为均匀，一部分颗粒间聚集在一起，分散性不是很好。另外，能量分析光谱微分析（EDS）分析样品的组成，是由O、Ti、Si、Fe组成的，含量分别是52.2%O,30.8%Ti,4.8%Si,12.2%Fe,表明只有一小部分的-Fe2O3分布在TiO2纳米粒子中。从图3-5观察到-Fe2O3/SiO2/TiO2纳

10、米颗粒的SEM-EDS能谱中检测到Si元素的存在，Si的含量很低，表明SiO2只是一层很薄的中间层包裹在-Fe2O3的外面透射电子显微镜（TEM）和(HREM)分析-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒TEM、HRTEM图及电子衍射图为了进一步的研究新制备合成的- Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒的晶体结构，对其复合光催化材料进行了TEM测定分析，结果见图3-7AD，图中颜色较深的是- Fe2O3/SiO2粒子，颜色比较浅的是TiO2，- Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒粒子大小在100nm左右，粒子呈现球形结构，且呈现较强的团聚现象。主要是因为当-Fe2O3粒子粒径较小时，粒子

11、之间的内聚力会很强，表面能较高， 会通过团聚而减小表面能，并呈现球形，以降低表面能，并且-Fe2O3具有磁性， 也会使有一部分粒子团聚在一起导致-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米粒子粒径比较大，整个-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米粒子粒径大概在100nm左右，-Fe2O3/SiO2均匀地分散在TiO2中，-Fe2O3/SiO2粒径大概20nm以及SiO2层大概是26nm，很多- Fe2O3/SiO2粒子聚集在一起，然后TiO2层包裹在-Fe2O3/SiO2粒子外面D另外，-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒的XRD分析表明样品具有典型的锐钛矿结构特征峰2值，即25.3(101)，37

12、.8(004)，48.0(200)，54.4(105)和62.7(211)，这与-Fe2O3/SiO2/TiO2TiO2的电子衍射图分析结果相一致（见图3-7D），说明外壳TiO2具有锐钛矿型的多晶结构。VSM分析如图3-10是300K下由VSM测定的所制备的纳米-Fe2O3/SiO2/TiO2磁性粒子的磁滞回线，图中插入的小图是矫顽力Hc在-3000 Oe3000 Oe的放大图，可以看出该磁滞回线基本呈一条曲线饱和磁化强度Ms=3.940emu/g，比饱和磁化强度Mr=0.380emu/g，矫顽力Hc=160.901Oe。-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米粒子的饱和磁化强度比纯的-Fe2O

13、3(76 emu/g)的低很多，这或许可以归因于高温煅烧磁性纳米粒子，使磁性纳米粒子的磁性下降很多。也有可能是由于-Fe2O3被包裹在中间，使-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米粒子的磁滞回线Fe2O3在检测过程中，磁信号减弱，但是还是符合磁分离的要求。紫外可见固体漫反射（UV-Vis DRS）分析图3-11为UV-Vis谱图为-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒的UV-Vis谱图，从200nm700nm的范围内，-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒对紫外光都有有强烈的紫外吸收，较锐钛矿相的TiO2(吸收峰为385nm)有明显的红移现象，这种红移是由半导体-Fe2O3的引入导致吸收边的

14、红移，使得400nm700nm的可见光区也有吸收。因此-Fe2O3的引入使磁载纳米TiO2光催化剂的吸收光波长范围加宽，并进入可见光区。从此可以推断，在紫外光的照射在，从UV-VIS谱图可以看出-Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒光催化能力要比TiO2纳米颗粒强。图3-11 -Fe2O3/SiO2/TiO2纳米颗粒紫外漫反射图三、进度计划与应完成的工作：查阅文献，掌握有关二氧 化钛光催化剂的基本原理； 了解目前光催化技术的发 展现状；对合成的光催化剂进行测试、表征及进行光催化降解实验，考察其构效关系；完成本科毕业论文并进行答辩。2015.3.22015. 3. 162015.4.22015.5.16由Fe3O4纳米磁性粉末及其多次产物分别与异丙醇反应最终制备得到-Fe2O3/SiO2/TiO2复合光催化剂；