半导体及金属负载型介孔TiO2-SiO2光催化剂的制备和光催化性能研究

摘要

TiO2具有光催化氧化能力强、化学性质稳定、无毒、廉价等优点，在光催化涉及的能源与环保领域成为目前研究最为广泛的半导体材料。但由于TiO2禁带宽度较大(Eg=3.2 eV)，只能吸收紫外光，同时比表面积较小，光催化活性较低，限制了在实际中的应用。因此TiO2的可见光化研究及如何增大其比表面积成为当前的研究热点。SiO2为绝缘体，物理化学性质稳定、易形成高比表面积的多孔结构。本文采用溶胶凝胶法，先合成了介孔TiO2-SiO2载体，然后分别采用共沉积和化学还原法得到了具有可见光催化活性的半导体和金属负载型的介孔AgBr/TiO2-SiO2和Ag/TiO2-SiO2复合光催化剂，研究了不同原料配比及还原条件对催化剂结构以及性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴通过改进实验工艺，放大了实验投料由1g增加到5g，并将制备介孔TiO2-SiO2载体的合成周期由10天缩减为2天，样品的形貌、吸附与紫外催化活性基本不变。改进工艺后制备的摩尔比Ti/Si=8∶2的介孔TiO2-SiO2的比表面积为135.5 m2/g，平均孔径为3.8nm，对罗丹明B（RhB）染料具备最佳的吸附和光催化降解协同效果。⑵当摩尔比AgBr/TiO2=0.2时，AgBr/TiO2-SiO2催化剂比表面积为94.8 m2/g，孔径为3.8nm，具有最佳的可见光催化降解RhB活性(k=0.0286 min-1)，这可归因于复合光催化剂具有良好的吸附和光催化协同作用，以及AgBr与TiO2形成异质结结构促进了光生电子与空穴的分离。⑶对由抗坏血酸和次亚磷酸钠两种还原剂制备的Ag/TiO2-SiO2复合催化剂，用抗坏血酸制备的样品中纳米Ag的颗粒更小、分散性更好，对RhB染料具有更好的吸附和可见光催化降解性能。当Ag/TiO2(mol％)=1.5时，Ag/TiO2-SiO2催化剂的比表面积为117.3 m2/g，可见光催化降解速率最高k=0.0197 min-1。由于等离子体共振效应导致Ag/TiO2-SiO2催化剂的可见光响应增强，且Ag的负载量与TiO2-SiO2载体达到最佳的吸附和光催化协同效果时表现出最高的催化降解活性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 半导体能带理论

1．3 TiO2的性质

1．4 TiO2光催化机理

1．5 二氧化钛的可见光化研究

1．5．1 非金属元素掺杂

1．5．2 过渡金属离子掺杂

1．5．3 贵金属沉积

1．5．4 窄带半导体复合

1．5．5 有机染料敏化

1．6 高比表面积TiO2的研究进展

1．6．1 介孔TiO2

1．6．2 介孔TiO2-SiO2

1．6．3 AgBr负载型TiO2可见光催化剂的研究进展

1．6．4 Ag／TiO2-SiO2复合材料的研究进展

1．7 本论文研究的目的和内容

第二章 实验部分

2．1 药品和仪器

2．1．1 实验药品与试剂

2．1．2 实验设备与仪器

2．2 实验内容

2．2．1 溶胶凝胶法制备介孔TiO2-SiO2载体

2．2．2 沉积法制备介孔AgBr／TiO2-SiO2光催化剂

2．2．3 Ag／TiO2-SiO2复合光催化剂的制备

2．3 样品的表征

2．3．1 XRD表征

2．3．2 FT-IR表征

2．3．3 TEM和HRTEM表征

2．3．4 UV-vis表征

2．3．5 比表面积和孔径分布表征

2．3．6 XPS表征

2．3．7 荧光分析

2．4 样品的光催化活性评价

2．4．1 降解的有机染料罗丹明B

2．4．2 催化剂的吸附和光催化活性评价

第三章 介孔TiO2-SiO2载体的制备及其光催化性能评价

3．1 介孔TiO2-SiO2载体制备工艺优化

3．1．1 XRD表征

3．1．2 TEM表征

3．1．3 吸附和紫外光催化活性评价

3．2 不同Ti／Si比催化剂的表征

3．2．1 XRD表征

3．2．2 比表面积和孔径分布

3．2．3 FT-IR表征

3．2．4 TEM表征

3．2．5 XPS表征

3．2．6 吸附和紫外光催化活性评价

3．3 小结

第四章 介孔AgBr／TiO2-SiO2复合材料的制备及光催化性能评价

4．1 介孔AgBr／TiO2-SiO2复合光催化剂的结构和性能

4．1．1 XRD表征

4．1．2 比表面积的测量

4．1．3 UV-vis光谱

4．1．4 XPS表征

4．1．5 吸附和可见光催化性能评价

4．2 不同AgBr负载量对复合光催化剂的影响

4．2．1 XRD表征

4．2．2 比表面积与孔径测试

4．2．3 UV-vis表征

4．2．4 TEM表征

4．2．5 吸附和可见光催化性能评价

4．3 催化剂的稳定性测试

4．4 催化剂机理研究

4．5 小结

第五章 介孔Ag／TiO2-SiO2复合光催化剂的制备及光催化性能

5．1 不同还原剂对合成的催化剂的影响

5．1．1 XRD表征

5．1．2 比表面积测试

5．1．3 UV-vis表征

5．1．4 TEM表征

5．1．5 XPS表征

5．1．6 吸附和可见光光催化性能评价

5．2 不同Ag负载量对催化剂的影响

5．2．1 XRD表征

5．2．2 比表面积测试

5．2．3 UV-vis表征

5．2．4 XPS表征

5．2．5 FL表征

5．2．6 吸附和可见光催化性能评价

5．3 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的论文

导师和作者简介