钛基介孔碳的光催化应用及改性

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随着工业的迅速发展,水污染问题已经成为当今人类最关注的问题之一。消除水中有毒污染物是污染控制化学领域重要的研究方向之一。二氧化钛由于其具有卓越的降解水中有毒污染物的能力,因此在光催化材料领域研究最为广泛。但是TiO2在光催化过程中存在诸多问题,如:1、可见光利用率低;2、TiO2多为粉末样品,在重复使用、回收过程中流失较严重;3、多次重复使用后,TiO2颗粒易发生团聚等。近年来在针对提高纳米TiO2光催化剂性能的研究中,负载和改性(特别是非金属元素的晶格掺杂)是两个重要的研究方向。碳材料是一类具有大比表面积稳定的载体,同时其具有良好的导电性,这些性质使其成为负载TiO2的优良载体。因此,本文分别从有序介孔碳-二氧化钛的协同吸附-光催化应用和非金属元素共掺杂二氧化钛晶格两个方面进行了研究,具体内容如下:第一章为研究背景概述,主要介绍了半导体光催化剂的研究进展和TiO2催化剂的负载及改性的研究概况。第二章介绍了高度有序介孔碳结构对二氧化钛光催化活性的改善及其在协同吸附-光催化中的应用。由于针对C-TiO2复合材料的介观结构特性展开的光催化研究鲜有报道。因此,我们通过理解介孔C-TiO2复合材料的结构本质,设计了一种新颖的协同吸附-光催化降解路径,该方法能够有效去除水中高浓度有毒污染物。复合材料首先是通过自组装技术,“一锅”合成。该复合材料不仅对有毒污染物分子具有高效的吸附性能,且材料中TiO2为单一锐钛矿相。由于锐钛矿纳米晶颗粒尺寸均一(约4.2nm),且被有效的粘附在无定形碳骨架中,使得该复合材料在重复使用超过80次后,依然保持良好的光催化活性和介观结构形貌。论文的第三章,研究了有序介孔碳-二氧化钛可见光光催化降解苯酚性能和效率。通过连续协同吸附-光催化循环,被200mg/L苯酚污染的水溶液经历了10次循环后,溶液中苯酚可以被完全矿化除去。这种物理和化学相结合的方法为处理水中高能度污染物提供了新颖的思路。第四章介绍了介孔N,C共掺杂二氧化钛@碳纳米复合材料的合成及其应用。我们以四氯化钛为钛源,A阶酚醛树脂为碳源,通过在自组装合成过程中添加氮源,以实现N、C元素共掺杂TiO2晶格,该合成过程相对于常见的非金属元素掺杂TiO2晶格合成方法,简便高效且不需要后处理,复合绿色化学的理念。通过XRD、BET、IR等表征,该复合材料具有非常良好的介观结构。通过XPS,固体紫外-可见漫反射光谱等表征,得出N、C元素对复合材料中TiO2的晶格掺杂。
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