二氧化钛/碳复合材料的制备及其光催化性能研究

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  二氧化钛是光催化剂中性能最佳的一种催化剂,具有非常广泛的应用前景。但是,传统二氧化钛的量子效率较低、带隙较宽,从而造成光生电子空穴的复合率高、吸收光谱范围窄,这些缺点限制了它的实际应用。对此,许多科研人员进行了大量研究,探索能够抑制电子与空穴复合、窄化其带隙的方法。碳材料具有非常好的吸附性能,能够将有机污染物吸附到催化剂表面,进而提高污染物的降解效率。因此,本文分别选取二氧化钛和碳球作为光催化材料和吸附材料,将两者复合以提高光催化降解污染物的效果。
  本文制备了二氧化钛/碳复合材料,利用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附(BET)等表征手段对催化剂的结构、组成及形貌进行表征,并研究催化剂的光催化性能。以抗生素环丙沙星作为研究对象,在紫外光照射下利用C@ZiO2降解环丙沙星,并研究影响其降解效果的因素。具体内容如下:
  (1)采用溶胶-凝胶法制备出了具有良好分散性的间苯二酚-甲醛(RF)树脂球,并在其外表面包裹一层TiO2,然后在氮气保护的条件下碳化RF@TiO2,得到C@TiO2纳米材料,并对其结构、组成以及形貌进行表征。TEM表征结果表明,TiO2均匀的包裹在RF外表面,二氧化钛壳层的厚度约为30nm,RF@TiO2的直径约为280nm;XRD表征图表明C@TiO2的成功合成,且随着煅烧温度的升高,二氧化钛由锐钛矿相逐步向金红石相转变;BET分析结果表明,C@TiO2具有较大的比表面积,1000℃煅烧的样品比表面积最大,为422m2/g。
  (2)以亚甲基蓝为目标污染物,对合成的C@TiO2催化剂进行光催化性能研究,实验结果表明,C和TiO2单独投加以及机械混合后投加,催化性能没有显著的差异,将C与ZiO2复合制成C@ZiO2材料后,光催化性能显著增强。当煅烧温度为900℃时,C@ZiO2的吸附及光催化性能最强,亚甲基蓝几乎可以被完全去除。
  (3)在紫外光照射下利用C@TiO2降解环丙沙星,并研究影响其降解效果的因素。C@TiO2光催化降解抗生素环丙沙星的过程中,随着催化剂投加量的增加,有机物的光降解速率逐渐增加。抗生素的降解速率受溶液初始pH的影响较大,在酸性条件下能加速光催化反应的进行,而在碱性条件下,反应则受到抑制。900℃煅烧的C@ZiO2具有最佳的催化效果。
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