銅和錫改性納米TiO2的制備及其光催化降解三氟羧草醚效能.pdf

1、銳鈦礦相的TiO2由于具有光穩(wěn)定性好、無毒、價格低廉及氧化能力強等特性而成為首選的光催化劑。但TiO2光催化效率受到光生載流子復合率高和太陽光利用率低這兩個關鍵因素限制。在本論文中采用了 Cu、Sn兩種金屬元素對TiO2進行了改性，試圖解決光生載流子的復合率高和太陽光的利用率低這兩個關鍵問題。
　　Cu離子摻雜對TiO2光催化活性的影響已經(jīng)被廣泛研究，但具有多價態(tài)的Cu離子在光催化反應過程中所起的作用仍不明確。在本研究中，首先采用

2、溶膠-凝膠法制備了一系列Cu-TiO2光催化劑。利用TG、XRD、DRS、SPS及 XPS等分析技術對所制備的樣品進行了表征。并以羅丹明B(RhB)為光催化目標降解物，研究了Cu-TiO2納米粒子的光催化性能。探討了在納米TiO2的制備和改性過程中，焙燒溫度、焙燒時間、不同金屬Cu元素加入量等因素對光催化活性的影響。通過DRS、SPS及XPS表征探討了Cu摻雜對TiO2的改性機制：在銅摻雜量適宜條件時，由于Cu-TiO2納米粒子中的氧空

3、位和銅組分能夠捕獲光生電子，抑制了光生載流子的復合，此外，適量的Cu摻雜使TiO2表面-OH數(shù)量增加，這些因素改善了催化劑的活性；但在銅的摻雜量較高時，過量的氧空位及銅組分則成為光生電子-空穴的復合中心。同時，過量的銅組分會覆蓋 TiO2表面從而阻礙其對光的吸收，并且，在銅摻雜濃度較大時TiO2的導電類型由N型變成P型，導致TiO2光催化劑中毒，從而降低了催化劑光催化活性。
　　利用氫還原處理可以使光生電子-空穴的有效分離從而改善

4、 TiO2的光催化性能。但氫還原法工藝較復雜，存在著易燃易爆等不安全因素及制備時間長、成本高等缺點，因而限制了其實際應用。為了克服上述缺點，本研究采用工藝簡單的Sn2+化學還原方法制備了Sn還原納米TiO2光催化劑(Sn-TiO2-X)。利用UV-Vis-DRS，SPS，XPS，EIS等測試手段探討了Sn對TiO2的改性機制：Sn2+還原后的TiO2中生成了Ti3+離子，導致TiO2的費米能級升高，活性氧組分的數(shù)量增多；Sn2+還原增加

5、了TiO2表面氧空位密度，能更有效的捕獲光生電子，抑制了光生電子-空穴的復合；Sn2+還原TiO2后，在TiO2粒子表面生成SnO2，SnO2的費米能級低于TiO2費米能級，導致光生電子從TiO2導帶向SnO2遷移，起光生電子捕獲阱作用，抑制光生載流子的復合從而改善其光催化活性；Sn2+還原后引入Ti3+、SnO2等摻雜能級，這些能級可以導致催化劑發(fā)生亞帶隙躍遷，即摻雜能級也參與了光化學過程，光催化劑的吸光范圍拓展到了可見光區(qū)。Sn2+

6、化學還原改性方法兼具氫還原法和Sn4+摻雜改性方法的優(yōu)點，有效的改善了光催化劑的活性。
　　三氟羧草醚是一種廣泛應用于大豆及水稻出苗后期選擇性去除闊葉雜草的含氯除草劑。三氟羧草醚足夠長的半衰期使其能夠被沖進地表水(江河和湖泊)，對環(huán)境造成危害。
　　本研究以Cu、Sn改性TiO2為光催化劑，考查了光強、催化劑用量、pH值、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用的一些陰、陽離子及降解目標物初始濃度等各種因素對三氟羧草醚光催化降解的影響。實驗結(jié)果表

7、明：由于三氟羧草醚的解離狀態(tài)及TiO2表面電性，相對于三氟羧草醚原液，調(diào)節(jié)pH值后的三氟羧草醚溶液的降解率均有所下降；陰離子的加入對以Cu-TiO2為催化劑的反應體系影響顯著，但對以Sn-TiO2-X為催化劑的反應體系無明顯影響；K+、Ca2+的加入對于光催化降解三氟羧草醚影響不大，但加入Cu2+的影響較為明顯。此外，利用光生電子、空穴捕獲劑，判斷識別了二種改性機制不同的催化劑光催化反應中的活性組分作用的大小。實驗結(jié)果表明，以Cu-Ti