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TiO_2光催化材料的制备、表征及在砷吸附中的应用

郭敬维

  TiO_2具有化学性质稳定、氧化-还原能力强、抗光腐蚀、无毒及成本低而被应用到各种光催化氧化过程。水体净化过程中利用二氧化钛与污水中的各种有机物和无机物发生的氧化反应达到分解有机物和降低水体毒性的目的。本论文以水体中的As(Ⅲ)的催化以及有机物的催化降解为主要目的,进行了不同晶型的纳米二氧化钛颗粒材料和以单晶硅为基体的二氧化钛膜材料的制备和表征及应用研究。 以钛酸丁酯为前躯体,用沉淀法制备纳米TiO_2颗粒,用两步热处理法制备出不同晶型的TiO_2;用sol-gel法和旋转涂膜法在单晶硅上制备了不同晶型的二氧化钛膜。研究中使用拉曼光谱和X射线衍射光谱表征二氧化钛颗粒以及二氧化钛膜的晶体类型;用SEM观察二氧化钛膜的表面形貌,用TEM来观察二氧化钛颗粒的形态和尺寸;XPS研究二氧化钛膜和单晶硅的结合方式及对膜进行半定量测定;使用UV-Vis光谱测定二氧化钛颗粒和TiO_2/Si的紫外可见吸收;将FTIR和TG/DTA相结合研究颗粒材料的羟基含量变化,并对颗粒材料的比表面积进行测量,最后进行了吸附动力学实验研究。 TiO_2颗粒材料B、A、R的比表面积分别为227.1㎡/g、39.07㎡/g和0.5972㎡/g,粒径范围为6 nm-12 nm、14 nm-36 nm和18 nm-90 nm。材料A为100%锐钛矿相,材料R含有96.6%的金红石相,二氧化钛材料不存在单一的晶型转化温度。对于初始浓度为2 mg/L的As(Ⅲ)溶液,紫外条件下吸附材料B、A、R的吸附容量分别为7.6 mg/g、3 mg/g和1.3 mg/g,表面羟基含量和比表面积是影响材料吸附容量最重要的因素。锐钛矿相的材料B、A以及金红石相材料R紫外光照下通过光催化氧化作用使溶液成为As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的混合溶液,两者的共同吸附作用促进了砷在TiO_2上的吸附。 在单晶硅上涂二氧化钛膜的最佳条件为:钛酸丁酯的摩尔分率为1.9%,旋转涂膜转速为1000转/min。二氧化钛膜在单晶硅上分布均匀,膜表面粗糙,局部有裂隙,膜厚在5 nm以下,和单晶硅以Si-O-Ti键相结合。450℃下制备的二氧化钛膜含有98.2%的板钛矿相,650℃的二氧化钛膜都为锐钛矿相,温度升高到750℃时锐钛矿相没有向金红石相转化,利用单晶硅做基体有效的抑制了锐钛矿的相转化,提高了热稳定性。TiO_2/Si的紫外可见吸收范围和强度都比单晶硅和二氧化钛大很多,具有很好的光利用率。……   
[关键词]:纳米二氧化钛;二氧化钛膜;晶型;光催化;单晶硅;
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:天津大学2010年