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天然沸石负载型二氧化钛光催化剂的制备与光催化性能

方送生

  半导体光催化材料是近年引起众多学者关注的一种新型功能材料。光催化剂具有在室温常压下将光能转变成化学能的能力,因而,光催化降解成为处理有机污染物的一种有效的方法。在诸多半导体光催化材料中,由于TiO2具有较高的稳定性、活性,低成本、无毒性、难溶于酸和碱等特点,成为光催化剂研究的热点,事实证明,纳米级的二氧化钛具有突出的光能转换效能,但是,在利用纳米粉体二氧化钛光催化降解污染物时存在着二氧化钛易团聚而使其失去活性,不利于回收重复利用并易造成二次污染等阻碍实际应用的问题。因此,国内外已有很多研究者们致力于合成负载型的光催化剂,在保证了光催化剂高活性的同时,提高使用效能。现已有一些学者尝试了一些载体用来负载TiO2,如:陶瓷,玻璃,石英,不绣钢,活性碳,光纤等,但几乎所有的这些合成光催化剂光催化活性都较纯TiO2低。在本项研究中,利用钛酸四丁酯作为钛源成功地制备了负载在天然沸石表面的二氧化钛光催化剂。由测试结果证实,部分二氧化钛通过化学键与天然沸石结合,克服了使用纯二氧化钛所造成的团聚和难于回收并重复利用的问题。为半导体光催化材料的实用提供了新的途径。本项研究以吉林省九台沸石为主要原料,研究了天然斜发沸石的结构,伴生矿物种类和物化学性能,探讨了在其表面负载TiO2的稳定性,表面活性变化和沸石热活化,负载后样品的最佳温度热处理等对光催化效能的影响。结果证实,所用天然沸石在200oС~300oС热处理时具有最高表面活性,在更高温度下,沸石结构将被破坏。为证实合成负载型光催化剂的性能,以甲基橙为目标污染物,以紫外光(λ=365nm,250W高压汞灯和太阳光)作为光源,考查了TiO2/天然沸石复合物合成条件以及影响光催化活性的各种因素。采用酸催化溶胶-凝胶法制备了二氧化钛溶胶并将其负载于天然沸石表面热处理后得到TiO2/天然沸石复合光催化剂,光催化效能的实验结果表明:200oС热处理的TiO2/天然沸石复合物具有最高的光催化活性,这是由于在该温度处理的TiO2/天然沸石复合物中存在高结晶及高含量的锐钛矿型二氧化钛,较高温度的煅烧导致二氧化钛由锐钛型向金红石型转变,光催化活性反而下降,另一方面,载体沸石经该温度处理后具有最佳的结构也是造成其活性高的原因之一。研究证实,甲基橙在弱酸性条件下(pH2-pH5)经光催化极易降解,并且该条件下降解速率无明显差别,降解后溶液的pH值约为7.0左右。加入适量的外加氧化剂如双氧水可以加快光降解速率,双氧水作为电子接受体有效地阻止了复合体电子和空穴的简单复合,从而在二氧化钛表面产生更多的自由羟基,加快了光催化速率。实验中发现,同样条件下,并非反应液中的光催化剂复合物的含量越多越好,当体系中的光催化剂复合物的含量达到1.5g/100ml时,甲基橙的降解速率不再升高,说明过多的光催化剂对体系的降解毫无意义。研究证实,载体沸石的颗粒大小也将影响复合物的光催化活性,沸石粒径越小,复合体的比表面积较大,接收用以产生电子-空穴对的光子较多,从而有较大的光催化活性,但是,粒径较小的载体不利于回收重复利用,故选择40~100目的沸石为载体是合适的。其他影响因素如:紫外光的强度,光催化降解前对二氧化钛复合物的紫外预照射,可见光的影响等也在本论文中进行了详细地讨论。对TiO2/天然沸石复合物降解甲基橙体系,研究认为其光催化降解过程为吸附控制过程,根据其该反应的光降解历程及应用Langmiur吸附等温式导出了该反应的动力学方程,用实验数据对该方程拟合后的结果表明:天然斜发沸石负载型TiO2对甲基橙的光降解反应属于准一级反应(相关系数在r2在0.996以上),在较低初始浓度下,初始浓度与平均降解进度正相关,趋于一级反应,在较高浓度时,反应趋于零级反应。总之,本项研究探讨了以天然沸石为载体制备具有较高光催化活性的负载型TiO2/天然沸石复合物的各种影响因素,开拓了优化TiO2光催化效能的新途径,拓展了具有特殊结构和性能的天然沸石在新型功能材料制备领域中的利用空间。……   
[关键词]:二氧化钛;天然沸石;光催化降解;甲基橙;动力学特征
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:吉林大学2004年