西南石油大学毕业设计(论文)开题报告

本科毕业论文开题答辩报告指导教师：XX演示者姓名：XX演示文稿日期：XX引述项目主题：TiO2负载型催化剂的制备研究及光催化应用主题概述研究背景作用原理制约条件研究现状不足之处改进设计方案实验流程图主要药品主要仪器产品制备产品表征应用设计预期结果进程安排参考文献致谢汇报目录

自从1972年日本Fujisima和Honda报道了TiO2电极上电解水现象后，半导体光催化引起了国际化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注。纳米半导体TiO2光催化技术具有低能耗、易操作、无二次污染等特点，且有望利用太阳能在有机合成，光解水，环境治理等领域得以应用，显示了广阔的应用前景。概述研究背景半导体材料之所以能够作为催化剂，与它自身的结构和特性有关。半导体的能带结构一般由低能价带和导带构成，价带和导带之间存在禁带。当能量大于或等于能隙的光子照射到半导体时，半导体微粒吸收光子能量，价带上的电子(e)就可以跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴(h+)，产生电子一空穴对,迁移到表面的光生电子和空穴既能参与加速光催化反应，同时也存在着电子与空穴复合的可能性。概述作用原理

传统的TiO2光催化技术以人工紫外光作为光源，成本昂贵，限制了光催化技术的工业化应用，太阳能是一种理想的廉价光源，但TiO2是宽禁带(Eg=3.2eV)半导体化合物,只能利用波长较短的太阳光能(λ<387nm)，而这部分紫外线只占到达地面太阳光能的5%以下，太阳能利用效率很低。

另一方面，受光激发形成的空穴和电子易于复合，降低了光量子利用效率。因此缩短催化剂的禁带宽度使吸收光谱向可见光谱扩展和抑制TiO2光生电子与空穴的复合是提高太阳能利用率的技术关键。概述制约条件目前针对TiO2光催化剂的改性研究主要包括如下方面:表面贵金属沉积，金属离子掺杂，非金属掺杂，染料敏化件、离子注入、引入氧空位以及半导体复合等等。在以上提高光催化性能方法中，TiO2离子掺杂因其效果佳、无毒性等优点被广泛研究，将是今后TiO2实现可见光催化的主要途径。Ti02掺杂主要分为过渡金属元素掺杂、稀土元素掺杂、非金属元素掺杂。概述研究现状

目前金属离子掺杂研究，大都以光催化氧化反应为探针对个别离子掺杂改性TiO2催化剂的光催化氧化性能进行了研究，而对元素掺杂后TiO2的晶相结构、晶粒尺寸、比表面积和相变温度等方面的研究还不全面，掺杂体系拓展吸收光谱的研究还很少，对第四周期掺杂离子的系统研究也不够深入，对改性机制的认识也是众说纷纭。概述不足之处

为进一步研究验证金属离子掺杂对TiO2的结构、尺寸、光吸收性能和光催化性能等方面的影响，改善TiO2的光催化性能和适应工业化的需要，增强TiO2可见光吸收和提高TiO2光催化效率，本实验采用溶胶凝胶法制备了过渡金属第一过渡系Cu、Fe、Zn分别掺杂TiO2，在此基础上尝试制备非金属-金属-TiO2三元复合催化剂（S-Fe-TiO2），采用催化甲基橙的方式比较各组催化活性。概述改进设计

利用X一射线衍射(XRD)、紫外一可见吸收光谱(UV-Vis)、比表面积测试、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等表征手段对部分产品进行实验，研究了TiO2晶体结构、光吸收性能，比表面积等性能。同时计划制备泡沫镍负载型Cu掺杂TiO2作为正极，碳棒作为负极，以三价砷为目标氧化物，进行光电催化实验，并采用溶出伏安法测试离子浓度，验证催化剂的催化活性作为其应用。概述改进设计实验流程图方案研究相变温度研究不同金属掺杂后吸收光谱主要药品方案主要仪器方案溶胶凝胶法：该法制备过渡金属掺杂纳米Ti02主要以钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)为主要原料。Ti(OC4H9)4在水中的溶解度很小，且水解活性很大，通常采用醇作溶剂，酸作抑制剂。试验采用无水乙醇作溶剂，硝酸作抑制剂。反应历程表示如下:方案催化剂的制备及性能对比水解缩聚受水、催化剂、醇浓度等影响I、不同掺杂量的Cu-Ti02催化剂的制备II、不同焙烧温度的Cu-Ti02催化剂的制备III、不同焙烧时间的Cu-Ti02催化剂的制备IV、选用步骤I的方法，以上面的最佳配比，焙烧温度和时间，制得Fe-Ti02，Zn-Ti02催化剂，进行活性实验对比V、制备S-Ti02二元，S-Cu-Ti02三元催化剂，并进行活性实验。（在时间充裕的条件下可选作）VI、光催化电极的制备方案主要制备步骤

对Fe、Cu、Zn-TiO2系列催化剂进行紫外吸光实验与TiO2的做对比，对在焙烧凝胶时使用一系列不同温度制的的Cu-TiO2进行XRD处理与TiO2的做对比，对由最佳条件合成的催化剂做XRD、TEM、SEM、UV、BET与TiO2的做对比。(l)x射线粉末衍射仪(X-rayDifractfon，XRD)(2)紫外一可见漫反射吸收光谱(UV-vis)(3)比表面积测试（BET）(4)扫描电子显微镜观察(SEM)(5)透射电子显微镜观察(TEM)方案产品表征

将掺杂改性后的TiO2用于饮用水中三价砷的消除，对催化材料的光催化活性进行进一步研究。方案催化应用1

掺杂过渡金属后TiO2与未掺杂的催化剂在紫外光下的催化效率明显提高，即证明掺杂确实使TiO2的电子-空穴的复合几率降低。2掺杂过渡金属后TiO2与未掺杂的催化剂在可见光下的催化效率明显提高，即证明掺杂确实使TiO2的禁带变窄。3同一金属的掺杂，因掺杂含量的不同而催化能力大不相同，即存在最佳元素配比。4同一金属的掺杂，因煅烧温度的不同而催化能力大不相同，即存在临界煅烧温度。5同一金属的掺杂，因煅烧时间的不同而催化能力大不相同，即存在临界煅烧时间。预期结果6

同等条件下，Cu、Zn、Fe的掺杂催化效率明显不同，即证实不同过渡金属的掺杂对催化效率的影响很大。7掺杂非金属后形成的金属-非金属-TiO2催化剂比单纯非金属-TiO2的催化能力成倍提高，即证实金属-非金属-TiO2复合体系中存在协同作用。（选作）8通过催化氧化，使饮用水中三价砷的含量大大降低，即证实该催化剂对解决水污染问题确实有帮助。9

尝试采用第一性原理计算方法，计算出掺杂TiO2的基态结构，能带结构，从理论上探讨掺杂对TiO2光催化活性的的影响。（选作）预期结果进度安排[1]马春蕾.二氧化钛光催化氧化技术的研究进展[J].辽宁化工，2010，39(9)：968-971[2]王九思，张鹏会.金属和非金属共掺杂TiO2催化剂光催化活性研究［J］.化工新型材料，2010，38(2)：79-81[3]易均辉，莫惠媚，易灵红，白永庆.金属离子掺杂改性TiO2的研究进展及应用[J].2011,40(8):35-38[4]WANGPing,XUYing.DevelopmentofNano-TiO2DopedbyMetalsandApplicationstoEnvironmentFriendlyMaterials［J］.ACTASCIENTIARUMNATURALIUMUNIVERSITATISSUNYATSENI,2007,46Sup:54-55[5]SANGYan,YOUJia-hui,GENGBao-you.StudyonthePhotocatalyticActivityofMetalIons-dopedTiO2Catalysts[J].JournalofAnhuiNormalUniversity(NaturalScience),2009,32(2):142-147[6]XIAOJun-xia,WEIChao-hai,HUJi-jie,WUChao-fei.AnInvestigationonPhotocatalyticActivitiesoftheFirstTransitionMetalIonsDopedTiO2Nanoparticles[J].NaturalScienceJournalofXiangtanUniversity,2008,30(1):73-78参考文献及阅读材料[7]钮金芬,姚秉华，魏佳，余晓皎.Ag@AgCl等离子体负载TiO2光催化剂的制备及对氯霉素的降解研究[J].西安理工大学学报，2011，27（4）：451-455[8]董俊明,陈晓阳.GeO2改性TiO2催化超声降解活性红（M-3BE）染料废水的应用研究[J].环境工程学报，2011，5（10）：2293-2297[9]张伟,彭绍琴,李越湘,吕功煊,李树本.Rosebengal-Cu-TiO2的制备及可见光制氢活性研究［J］.功能材料，2007，3