納米TiO2光催化劑無機酸改性及有機污染物降解效能機制.pdf

1、光催化氧化技術(shù)因為具有分解污染物徹底，安全且綠色環(huán)保的特性，在治理環(huán)境污染等領(lǐng)域備受關(guān)注。在眾多光催化材料中，納米TiO2擁有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，視為理想的光催化劑之一。然而，納米TiO2光生電荷復(fù)合幾率高，顯著影響其光催化降解污染物的效果。根據(jù)光催化降解污染物反應(yīng)機制分析，納米TiO2光生電子被表面吸附氧氣分子捕獲，是有效阻止光生電子和空穴復(fù)合的關(guān)鍵步驟，但是卻常常被人們忽視。因此本論文，首先研究納米TiO2光生電子被表面吸附氧氣捕獲

2、對其光生電荷分離效率和降解污染物的作用機制，探討決定納米TiO2光催化降解污染物活性的決定性因素，進而利用無機酸表面功能化的方法增強納米TiO2表面氧吸附性能，獲得高活性光催化降解污染物的光催化劑材料。
　　在本文中，首先利用低溫調(diào)制的溶膠-水熱法制備出具有不同晶相組成的納米 TiO2光催化劑材料，探索決定其中金紅石相 TiO2光催化降解污染物活性的主要影響因素。實驗結(jié)果顯示，與銳鈦礦晶相納米TiO2相比，金紅石相材料表現(xiàn)出優(yōu)異的

3、光催化降解有機染料羅丹明B的活性，甚至超過商品P25TiO2的性能。這主要由于決定金紅石晶相形成的關(guān)鍵物質(zhì)氯化氫能夠以氯化物的化學(xué)形式殘留在納米TiO2表面，有利于光催化劑吸附污染物，進而促進光敏化氧化反應(yīng)的進行。但是，在降解無色有機污染物氣體乙醛和水中苯酚的時候，納米金紅石TiO2呈現(xiàn)出差的活性。實驗證明表面殘留的氯化物能夠捕獲光生空穴，因此判斷光生空穴與污染物發(fā)生的氧化反應(yīng)不是影響納米金紅石TiO2光催化活性的關(guān)鍵，提出光生電子與表

4、面吸附氧氣分子發(fā)生的還原反應(yīng)性能較差是導(dǎo)致其低光催化降解污染物活性的主要原因。
　　針對納米金紅石TiO2光生電子被表面吸附氧捕獲性能較差的問題，分別利用磷酸和硼酸表面功能化的方法，增強金紅石TiO2表面吸附氧的性能，成功提高了光催化降解氣體乙醛和水中苯酚的活性。根據(jù)硼酸能調(diào)節(jié)光生電荷分別被表面吸附氧氣分子和氯化物捕獲的現(xiàn)象，分別定量計算出納米TiO2光生電子和空穴被捕獲的程度，并且結(jié)合光催化劑生成羥基自由基的產(chǎn)量和光催化活性評估

5、的結(jié)果提出，金紅石TiO2光催化降解污染物的活性主要與它的光生電子被氧氣捕獲的能力密切相關(guān)，而受到光生空穴被捕獲的影響較小。此實驗結(jié)果進一步證明，納米金紅石TiO2光生電子被氧氣捕獲是光催化降解污染物反應(yīng)過程中的關(guān)鍵步驟。
　　采用溶膠-水熱法制備了具有不同百分比含量{001}晶面暴露的納米銳鈦礦相TiO2材料，探討了影響具有高百分比含量{001}暴露面納米TiO2的光催化降解污染物活性的主要因素。實驗證明，合成過程引入的氟化氫是

6、促使納米銳鈦礦{001}晶面形成的關(guān)鍵，并且它還會以氟化物的形式殘留在納米 TiO2樣品表面。將表面殘留氟化物和利用堿去除氟化物的樣品對比發(fā)現(xiàn)，高表面能{001}晶面的暴露和表面氟化物的殘留對于納米TiO2光生電荷分離和光催化活性都具有促進作用。將{001}晶面和表面殘留氟化物作用效果對比分析提出，具有高百分比含量的{001}晶面納米銳鈦礦 TiO2能夠呈現(xiàn)出高的光生電荷分離效率和優(yōu)異的光催化降解污染物的活性，主要與表面殘留氟化物能夠增

7、強樣品表面氧吸附性能有關(guān)。并且進一步驗證，由于氟化氫存在于納米銳鈦礦TiO2表面，增強了樣品對氧氣的吸附性能，促進光生電荷的分離，使其表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化降解氣體乙醛和水中苯酚的活性。
　　由于具有{001}暴露面納米銳鈦礦 TiO2表面殘留的氟化氫熱穩(wěn)定性較差，在高溫?zé)崽幚磉^程中，{001}晶面的含量迅速降低且納米 TiO2表面吸附氧性能急速減弱，從而顯著降低了其光催化降解污染物的活性。這必將影響高活性納米 TiO2在陶瓷和涂層等

8、方面的應(yīng)用。為解決此問題，利用磷酸修飾具有{001}暴露面納米銳鈦礦TiO2樣品的表面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磷酸修飾不僅能夠通過阻礙粒子之間接觸抑制粒子發(fā)生團聚，成功地提高{001}晶面的熱穩(wěn)定性，而且還進一步改善了{001}暴露面納米銳鈦礦 TiO2的光催化降解污染物的活性。磷酸修飾具有高熱穩(wěn)定性的納米TiO2能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能，這主要與其具有高結(jié)晶度，{001}高能晶面的暴露和強的氧吸附性能有關(guān)。
　　本工作的開展，必將為設(shè)計合