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化学信息学课程论文 论文题目：负载型纳米 TiO2光催化剂的制备 学 院： 石油化工 专 业： 能源化学工程 班 级： 1302 班 学 号： 席坤 学生姓名： 1310140108 2016 年 05 月 目 录 摘 要 前 言. 1 一、实验 1 1.1 试剂和仪器 .1 1.2 悬浮聚合法制备粉煤灰一聚苯乙烯徴珠载体 2 1.3 水热法制备粉体纳米 TiO2 2 1.4 负载型纳米 TiO2 光催化剂的制备 2 二、结果和讨论 2 2.1 粉体纳米 Ti02 的表征 .2 2.2 载体对甲醛降解率的影响 .3 2.3 粉煤灰质量浓度对甲醛降解率的影响 .4 2.4 负载型催化剂的重复使用效果 .4 三、结论 5 参考文献 5 I 负载型纳米 TiO2光催化剂的制备 摘要：采用悬浮聚合法制备粉煤灰聚苯乙烯微珠载体，通过矿化接枝技术 将水热法制备的纳米 Ti02 负载在粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体上，制成负载型纳 米 Ti02光催化剂。 用 X 射线衍射仪、扫描电子显微镜对负载型纳米 Ti02光催 化剂进行了表征，通过光催化降解甲醛实验评价了负载型纳米 Ti02光性化剂的 活性。实验结果表明：纳米 Ti0 2在载体上分散良好,平均粒径为 36. 4 nm；该 催化剂活性较高，明显优于粉体纳米 Ti0 2光催化剂，重复使用 10 次左右，该 催化剂的活性无明显下降。 关键词：纳米二氧化钛；复合载体；悬浮聚合；矿化接枝；光催化 Preparation of Supported Nano TiO2 photocatalyst Abstract: The suspension polymerization process fly ash - carrier polystyrene beads, prepared by the hydrothermal mineralization grafting technique Nano Ti02 supported on a polystyrene beads fly carrier, made load nano Ti02 photocatalyst. X-ray diffraction, scanning electron microscopy supported nanometer Ti02 photocatalyst were characterized, evaluated the activity of supported nanometer Ti02 photosensitive agent photocatalytic degradation of formaldehyde by experiment. The results showed that: Nano Ti02 well dispersed on the support, the average particle diameter of 36.4 nm; the higher the activity of the catalyst, significantly better than the Nano Ti02 photocatalyst powder, reused about 10 times the activity of the catalyst is no significant decrease . Keywords: nano-titanium dioxide; composite carrier; suspension polymerization; mineralization graft; photocatalysis II 化学信息学论文 第 0 页 前言 纳米 Ti0 2 光催化剂具有活性高、适用范围广、反应彻底且无二次污染等优 点,在空气净化、海洋石油污染清除、污水净化、抗菌杀菌等领域具有广阔的应 用前景,是极具发展潜力的一种绿色环保型光催化剂1-3。 但在处理度水时, 粉体纳米 Ti0 2光催化剂存在着吸附性差、易聚集、回收再利用困难等缺点,严重 制约着纳米 Ti0 2光催化剂的产业化和商业化4，5。 制备稳定、高效的负载型 纳米 Ti0 2光催化剂已成为人们日益关注的研究热点,其中以强吸附性材料如分子 筛、活性炭、沸石、粉煤灰及各种合成纳米孔材料作为载体6,7制各负载型光 催方向。 本次采用悬浮聚合法制备粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体,再通过矿化接枝技术 制成负载型纳米Ti0 2光催化剂(简称催化剂)。用 X射线衍射(XRD)仪、 扫描电子 显微镜( SEM)对纳米 Ti0 2的晶型结构及其在载体表面的分布情况进行表征 。 以甲醛水溶液作为待处理废水,考察了载体对纳米Ti0 2光催化剂活性(以甲醛降解 率表示)的影响及催化剂的活性和使用寿命。 1、实验 1.1 试剂和仪器 TiCl4、无水乙醇、三乙醇胺(TEA)、苯乙烯、聚乙烯醇、丙三醇、过氧化二 苯甲酰、乙酰丙酮、甲醛、硝酸、十二烷基苯磺酸钠、 NaoH:分析纯；二次蒸 馏水；粉煤灰 。 XPA- 型光化学反应仪:南京胥江机电厂, KQ- 100A型超声波清洗器:昆山 市超声仪器有限公司,723 型分光光度计:上海科技精密仪器有限公司,D8 - ADVANCE型 X射线衍射仪:徳国布鲁克公司;S-570型扫描电子显微镜:日本 hitachi 公司.NOVA- 2000型表面孔径测定仪:美国康塔公司。 1.2 悬浮聚合法制备粉煤灰一聚苯乙烯徴珠载体 在四口烧瓶中加入一定量的蒸馏水、过氧化二苯甲酰和预先配制的质量浓 度为5g/L的聚乙烯醇水溶液a 取定量的经体积分数为l0%的NaoH溶液精制过的苯 乙烯,加入粉煤灰,经超声波振荡分散均匀后,在搅拌条件下,将其加入到四口烧 瓶中,调整搅拌转速,加热反应4 h,固话2 h,反应结束后过滤、洗操、干燥,得到 第 1 页 粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体。 1.3 水热法制备粉体纳米 TiO2 在搅拌条件下,将 Ticl4的乙醇溶液滴加到 NaoH 和 TEA 的乙醇溶液中,反应 完成后,倒出上层清液,得到 Ti( 0H)4 TEA 前驱体乙醇溶液,将其加入到 60 的蒸馏水中,迅速生成白色絮状沉淀,离心分离得到 Ti( 0H)4絮状沉淀,加入蒸 馏水, 在 l00 下回流 5 6 h,离心分离,倒出清 液,将沉淀物分别用乙醇和清 水洗涤数次,于 60 下干燥, 研磨后得到粉体纳米 Ti0 2 。 1.4 负载型纳米 TiO2 光催化剂的制备 在超声波振荡的条件下,用十二烷基苯黄酸钠饱和溶液浸泡粉煤灰一聚苯乙 烯微珠一定时间,取出后洗涤、干燥；在超声波清洗器内用酒精和蒸馏水清洗, 去除表面负载不牢固的粉煤灰 。 在锥形瓶中加入定量的丙三醇、蒸馏水和粉体纳米 Ti0 2 ,超声波振荡使其 分散均匀,将处理后的粉煤灰一聚苯乙烯微珠浸入其中,于50下矿化沉淀 1824h后，洗涤，干燥后得到负载型纳米TiO 2光催化剂。 二、结果和讨论 2.1 粉体纳米 Ti02 的表征 图1为水热法制各的粉体纳米Ti0 2的XRD 谱图。 由图l可见,最大的衍射峰出 现在2=25.4 处,为锐钛矿相,在2=27.4处出现的较小峰为金红石相,表 明水热法制备的粉体纳米 Ti0 2为以锐钛矿型为主的锐钛矿相和金红石相的混晶。 采用谢乐公式计算得出粉体纳米 Ti0 2 的平均粒径为36.4 nm。 第 2 页 图2是粒径为2 nm的以粉煤灰一聚本乙烯微珠为载体的负载型纳米 Ti0 2光 催化剂的 SEM照片。 由图2(a)可见,所得的催化剂具有良好的球形度；由图2(b)可 见, 纳米 Ti0 2在载体表面分布均匀 。 2.2 载体对甲醛降解率的影响 载体对甲醛降解率的影响见图3。由图3可见,与粉体纳米 Ti0 2光催化剂相比,以 粉煤灰一聚苯乙烯微珠为载体的负载型纳米Ti0 2光催化剂甲醛降解率最高达 94%，提高了22%。这是由于粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体表面裸露着大量的粉煤灰, 增大了微珠裁体的比表面积；且粉煤灰自身具有较强的吸附性,可迅速捕捉水体 中的污染物,促进光催化氧化。此外,载体表面裸露的粉煤灰具有表面凹孔,形成 壁垒陷阱,可固定沉积的纳米Ti0 2,防止纳米 Ti0 2聚集,有利于纳米 Ti0 2的沉积矿 化,提高纳米 Ti0 2与载体之间的结合力。粉煤灰中含有多种过渡金属化合物,其 中 Fe 3+具有较窄的禁带宽度,可降低纳米 Ti0 2 的禁带宽度,扩大光吸收波长的范 围；增加载流子的浓度,使捕获的电子容易释放出来,形成浅势捕获,延长光生电 子-空穴对的寿命,从而使 Ti0 2表面产生更多的 H0 和O 22-等活性基团,提高其光 催化活性和可见光利用率8。 第 3 页 2.3 粉煤灰质量浓度对甲醛降解率的影响 在过氧化二苯甲酰加入量为0.4g、苯乙烯加入量为20mL、聚乙烯醇水溶液加 入量为100mL 的条件下,改变粉媒灰质量浓度,加热反应4 h,固化2 h, 制各一系 列粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体,载体经十二烷基苯磺酸钠饱和溶液浸泡处理和矿 化沉淀18 h 后,得到负载型纳米 Ti02光催化剂。粉煤灰质量浓度对甲醛降解率 的影响见图4。 由图4可见,粉煤灰质量浓度为0.02g/mL 时,甲醛降解率最高,即 催化剂活性最高。这主要是由于催化剂中的 Fe 3+ 成为捕获光生电子和空穴的势 阱, 能够阻止电子与空穴复合,提高了催化剂的活性；当粉媒灰质量浓度过低时, 捕获电子或空穴浅势阱数量不足,光生电子空穴对不能有效分离；当粉媒灰质量 浓度过高时, Fe 3+能同时捕获电子和空穴，成为电子空穴对的复合中心，反而增 大了电子与空穴复合的几率，降低了催化剂的活性。 2.4 负载型催化剂的重复使用效果 催化剂的重复使用次数对甲醛降解率的影响见图 5. 第 4 页 由图5可见,催化剂使用l0次左右,甲醛降解率无明显下降,即催化剂活性无明 显降低 。 这是因为,利用矿化接枝技术制得的催化剂与普通镀膜方法制备的纳 米 Ti0 2光催化剂相比9 ,载体与纳米Ti0 2之间的结合力更强,矿化接技反应早 期在聚苯乙烯底物表面接入纤维状大分子,增强了纳米 Ti0 2 在底物上的吸附力, 从而使纳米 Ti0 2与粉煤灰一聚苯乙烯微珠载体之间的结合力显著增强 。 三、结论 (1) 采用水热法制备的粉体纳米 Ti0 2 是以锐钛矿型为主的锐钛矿和金红 石相的混晶,平均粒径为36,4 nm。 (2) 粉煤灰质量浓度为 0.02g/mL 时,以粉煤灰一聚苯乙烯微珠为载体的负 载型纳米 Ti0 2 光催化剂活性最高,与粉体纳米 Ti0 2光催化剂相比,甲醛降解率 最高达94% ,提高了22% 。 (3) 采用矿化接枝技术制备的负载型纳米 Ti0 2 光催化剂,具有较长的使用 寿命,重复使用10次左右,甲醛降解率无明显下降 。 参考文献 1 赵峰,魏宏斌,徐迪民。固定相光催化氧化技术的研究与进展。化工环 保， 2002， 22(6)： 328-332 2 Chen L C,Chou T C .Photodecolorization of methy or-ange using silver ion modified TiO2 as photocatalyst. Ind Eng Chem Res ,1994, 33(,6):1 436-1443 3 黄婉霞, 孙作凤,吴建春等.纳米二氧化钛光催化作用降解甲醛的研究. 稀有金属, 2005, 29(6):34-38 4 李炜是,霍冀川,刘树信等.负裁型Tio 2光催化剂固定化技术研究进展. 陶瓷学报,2004, 25(2): 133-138 5邓沁, 廖东亮,肖新颜等，Ti0