Ce掺杂纳米Fe(OH)3TiO2光催化剂的制备及其在有机污染物处理中的应用
Ce掺杂纳米Fe(OH)3TiO2光催化剂的制备及其在有机污染物处理中的应用[20200411160733]
摘要
本文以钛酸丁酯为主要原料，用溶胶-凝胶法制备了Ce/ TiO2复合粒子，并将均匀沉淀法和浸渍法相结合，采用均匀沉淀包覆法，不经高温煅烧处理，制备出了 Fe(OH)3/Ce/TiO2复合型光催化剂。以染料3BS为有机污染物的模型化合物研究其光催化活性，并通过XRD、比表面、UV-Vis反射等对光催化剂结构、性能进行了表征。结果表明，TiO2在改性前后晶形不变，Fe(OH)3/Ce/TiO2光催化剂可见光吸收能力略为增强，改性后的光催化剂对可见光的吸收范围有所拓宽，比表面较纯 TiO2的比表面大，降解3BS的光催化能力较纯 TiO2则大大提高，矿化能力强，能将一些大分子有机污染物迅速彻底矿化。用正交试验探讨了催化剂用量、溶液pH、降解时间等因素对3BS降解率的影响，实验得出催化降解有机污染物的最佳条件为：催化剂用量为0.61.0g/L、pH为3-5、降解时间为50min，在最佳条件下复合光催化剂对染料3BS的降解率为90%以上，COD去除率为85%。
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关键字:Fe(OH)3/Ce/TiO2,纳米光催化剂,均匀沉淀包覆法,3BS
目录
1、前言 1
1.1 TiO2光催化剂概述 1
1.1.1 TiO2光催化剂的研究现状及发展 1
1.1.2 纳米TiO2光催化剂制备机理 2
1.1.3 纳米TiO2的光催化机理 3
1.1.4 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的应用研究 3
1.2论文选题意义及基本思路 4
2、实验部分 5
2.1实验试剂与药品 5
2.1.1 实验试剂 5
2.1.2 实验仪器 6
2.2 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的制备方法 6
2.2.1 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的制备 6
2.3 Ce/Fe(OH)3/TiO2表征 7
2.3.1 XRD分析 7
2.3.2 比表面积的测定分析 7
2.3.3 UV－VIS反射光谱图分析 7
2.3.4 FT-IR分析 7
2.4 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化降解 7
3、结果与讨论 8
3.1 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化剂的XRD表征 8
3.2比表面积的测定 9
3.3 UV－VIS反射光谱图分析 9
3.4 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化降解条件的优化 10
3.4.1 正交实验 10
3.4.2 光催化剂的量 12
3.4.3 H2O2滴加的量 13
3.4.4 pH对光催化剂的影响 14
3.4.5 催化时间的影响 15
3.5 COD的测定 16
3.6 室内光、紫外光、太阳光的对比 17
3.7 原液与降解液的红外测定 17
4、结论 19
参考文献 20
致谢 21
1、前言
随着工业的发展，我们的生活中出现了大量的有机污染物，使我们的生活环境越来越坏，生活质量越来越差对有机污染物的处理已经是迫在眉睫的问题了。这其中就不乏大量的有机污染废水。然而有机废水中就含有大量的酚类、多氯联苯、和多环芳香烃化合物及其各种衍生物等。要想工业废水正常排放，就必须对工业废水进行处理，净化，这样才能让环境循环良好的发展下去。
二十一世纪，大量有机污染物，严重影响了我们的生活质量，有机致癌，致畸，对人的健康有害。因此广为分布的有机污染物被各个国家列为优先处理的对象。然而以往的处理有机污染物的方法是把有机污染物从一相中转移到另一相中，这样不仅没有处理掉有机污染物，而且还会造成二次污染，后处理更是麻烦。不过纳米技术在二十一世纪得到了快速发展。研究发现，纳米光催化技术可以利用太阳光直接把有机污染物光催化降解为CO2、H2O和各种无机小分子，矿化效果好，废水的降解率高，对环境的危害小。
自从1972年，日本学者Fujishima和Honda在Nature杂志上发表有关TiO2电极上光分解水的论文[1]以来，多学科领域的学者就在纳米半导体多相光催化的研究上做了大量的工作。目前，人们已经开发了TiO2[2-4]，CDS，WO3，氧化锌，硫化锌，硒化镉及其它半导体光催化剂，其中纳米TiO2以其廉价、无毒、高稳定性、能够循环利用等优点[5]，受到广泛关注[6]。
纳米二氧化钛是一种更为广泛应用的光催化剂，其价格低廉，无毒，稳定性高，可回收利用的优势，吸引了众多研究者的关注。研究发现，纳米TiO2可以将有机酸类、卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳类、酚类、取代苯胺，以及空气中诸如丙酮、甲醛等处理成无害的小分子无机物。目前正在进行的产业化发展，纳米TiO2的研究仍处于实验室阶段。本论文采用一种简单的方法，制备出掺杂Ce的纳米TiO2与Fe(OH)3胶体复合而成的光催化剂，该催化剂利用太阳光的催化降解效率高，矿化效果好，反应条件温和（常温、常压、PH 5～7），对设备腐蚀小，可以循环利用等优点。
1.1 TiO2光催化剂概述
1.1.1 TiO2光催化剂的研究现状及发展
自从1972年Fujishima和Honda发现了TiO2可以作催化剂使用，即利用太阳光可以进行光分解水的性能以来，光催化反应技术便获得众人的青睐。多年的研究，逐步掌握了反应的机理。在此反应原理的基础上，众多学者探究到光催化反应不仅可以降解有机物质、而且对细菌和除异味有很好的效果。光催化技术还有很多优点，例如合适的反应温度，光催化剂本身无毒、无害、无腐蚀性，而且还没有二次污染等。因此，相比传统的高温，传统的催化，吸附技术，光催化在环境保护领域的应用具有明显的优势，近年来取得了长足的发展。因为TiO2性质稳定、没有毒和光催化活性好等优点，被普遍应用于光催化降解污染物、染料敏化太阳能电池、光降解水制氢等。但纯TiO2有较宽的禁带宽度（Eg=3.2ev），只有在波长小于387 nm 紫外光的激发下才会表现出光催化活性，但是照射到地表的太阳光中这部分紫外光的含量仅为4%~6%，这不利于TiO2对日光或人造光源中可见光的吸收，光催化的量子效率受到已知的TiO2的晶体结构，表面羟基自由基与晶格缺陷的影响。当前业界常采用金属/非金属元素混合、复合半导体和光敏化等技术拓展其光催化活性至可见光吸收区域。以TiO2为载体的光催化技术已成功应用于废水处理、空气净化、自清洁表面、染料敏化太阳电池以及抗菌等多个领域。由于TiO2具有稳定性好，无毒，具有光催化活性高的优点，结合光催化技术的发展现状，TiO2光催化剂已成功应用于实验室，国内目前需要的是把TiO2光催化剂应用于工业生产，使之工业化，更好的帮我们解决环境污染的问题。
1.1.2 纳米TiO2光催化剂制备机理
纳米TiO2光催化剂制作方式有固相法、液相法、气相法，然而液相法比较方便获得纳米TiO2粉末。本论文采用液相法，不过由于本次实验采用的是钛酸丁酯为原料，而钛酸丁酯与水反应太剧烈，所以实验采用无水乙醇做溶剂，减缓钛酸丁酯与水的反应，这样得到的纳米TiO2粒子分散就会更好，并且实验采用Ce做抑制剂，同样也可以减缓钛酸丁酯与水的反应，而且Ce可以对纳米TiO2进行改性，提高纳米TiO2光催化剂的催化活性，拓宽其在可见光区域的光谱吸收范围，使其在太阳光下的光催化降解效果更好。而本论文制备纳米TiO2选用的法子是低温制备法，就是将钛酸丁酯（C16H36O4Ti）加到无水乙醇中（其体积之比为1:2），在放入转子均匀搅拌，然后缓慢滴加乙醇，蒸馏水，乙酸，硝酸铈铵混合溶液，包括体积比4∶1∶1的乙醇，蒸馏水，乙酸，硝酸铈氨加入一定的量， 经1h 搅拌得到透明的掺杂铈的TiO2溶胶，放置一段时间就可以得到纳米TiO2凝胶，取出转子，放在烘箱中低温干燥24h，获得Ce掺杂的纳米TiO2粉体。XRD实验数据分析显示低温下制备的纳米TiO2光催化剂具有很好的锐钛矿晶型。而Fe(OH)3胶体的制备则是先制备室温下的饱和FeCL3溶液，然后往煮沸的100蒸馏水中滴到溶液成红褐色为止，此时就得到Fe(OH)3胶体溶液，一般加FeCl3饱和溶液的量在3滴左右。最后把制备好的Ce掺杂的纳米TiO2粉体边搅拌边加入到Fe(OH)3胶体溶液中，小火煮沸致近干，然后在烘箱中低温烘干24h，取出干燥后的粉体，用研钵研磨成粉末即得到实验要的Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂。
摘要
本文以钛酸丁酯为主要原料，用溶胶-凝胶法制备了Ce/ TiO2复合粒子，并将均匀沉淀法和浸渍法相结合，采用均匀沉淀包覆法，不经高温煅烧处理，制备出了 Fe(OH)3/Ce/TiO2复合型光催化剂。以染料3BS为有机污染物的模型化合物研究其光催化活性，并通过XRD、比表面、UV-Vis反射等对光催化剂结构、性能进行了表征。结果表明，TiO2在改性前后晶形不变，Fe(OH)3/Ce/TiO2光催化剂可见光吸收能力略为增强，改性后的光催化剂对可见光的吸收范围有所拓宽，比表面较纯 TiO2的比表面大，降解3BS的光催化能力较纯 TiO2则大大提高，矿化能力强，能将一些大分子有机污染物迅速彻底矿化。用正交试验探讨了催化剂用量、溶液pH、降解时间等因素对3BS降解率的影响，实验得出催化降解有机污染物的最佳条件为：催化剂用量为0.61.0g/L、pH为3-5、降解时间为50min，在最佳条件下复合光催化剂对染料3BS的降解率为90%以上，COD去除率为85%。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:Fe(OH)3/Ce/TiO2,纳米光催化剂,均匀沉淀包覆法,3BS
目录
1、前言 1
1.1 TiO2光催化剂概述 1
1.1.1 TiO2光催化剂的研究现状及发展 1
1.1.2 纳米TiO2光催化剂制备机理 2
1.1.3 纳米TiO2的光催化机理 3
1.1.4 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的应用研究 3
1.2论文选题意义及基本思路 4
2、实验部分 5
2.1实验试剂与药品 5
2.1.1 实验试剂 5
2.1.2 实验仪器 6
2.2 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的制备方法 6
2.2.1 Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂的制备 6
2.3 Ce/Fe(OH)3/TiO2表征 7
2.3.1 XRD分析 7
2.3.2 比表面积的测定分析 7
2.3.3 UV－VIS反射光谱图分析 7
2.3.4 FT-IR分析 7
2.4 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化降解 7
3、结果与讨论 8
3.1 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化剂的XRD表征 8
3.2比表面积的测定 9
3.3 UV－VIS反射光谱图分析 9
3.4 Ce/Fe(OH)3/TiO2光催化降解条件的优化 10
3.4.1 正交实验 10
3.4.2 光催化剂的量 12
3.4.3 H2O2滴加的量 13
3.4.4 pH对光催化剂的影响 14
3.4.5 催化时间的影响 15
3.5 COD的测定 16
3.6 室内光、紫外光、太阳光的对比 17
3.7 原液与降解液的红外测定 17
4、结论 19
参考文献 20
致谢 21
1、前言
随着工业的发展，我们的生活中出现了大量的有机污染物，使我们的生活环境越来越坏，生活质量越来越差对有机污染物的处理已经是迫在眉睫的问题了。这其中就不乏大量的有机污染废水。然而有机废水中就含有大量的酚类、多氯联苯、和多环芳香烃化合物及其各种衍生物等。要想工业废水正常排放，就必须对工业废水进行处理，净化，这样才能让环境循环良好的发展下去。
二十一世纪，大量有机污染物，严重影响了我们的生活质量，有机致癌，致畸，对人的健康有害。因此广为分布的有机污染物被各个国家列为优先处理的对象。然而以往的处理有机污染物的方法是把有机污染物从一相中转移到另一相中，这样不仅没有处理掉有机污染物，而且还会造成二次污染，后处理更是麻烦。不过纳米技术在二十一世纪得到了快速发展。研究发现，纳米光催化技术可以利用太阳光直接把有机污染物光催化降解为CO2、H2O和各种无机小分子，矿化效果好，废水的降解率高，对环境的危害小。
自从1972年，日本学者Fujishima和Honda在Nature杂志上发表有关TiO2电极上光分解水的论文[1]以来，多学科领域的学者就在纳米半导体多相光催化的研究上做了大量的工作。目前，人们已经开发了TiO2[2-4]，CDS，WO3，氧化锌，硫化锌，硒化镉及其它半导体光催化剂，其中纳米TiO2以其廉价、无毒、高稳定性、能够循环利用等优点[5]，受到广泛关注[6]。
纳米二氧化钛是一种更为广泛应用的光催化剂，其价格低廉，无毒，稳定性高，可回收利用的优势，吸引了众多研究者的关注。研究发现，纳米TiO2可以将有机酸类、卤代脂肪烃、卤代芳烃、硝基芳类、酚类、取代苯胺，以及空气中诸如丙酮、甲醛等处理成无害的小分子无机物。目前正在进行的产业化发展，纳米TiO2的研究仍处于实验室阶段。本论文采用一种简单的方法，制备出掺杂Ce的纳米TiO2与Fe(OH)3胶体复合而成的光催化剂，该催化剂利用太阳光的催化降解效率高，矿化效果好，反应条件温和（常温、常压、PH 5～7），对设备腐蚀小，可以循环利用等优点。
1.1 TiO2光催化剂概述
1.1.1 TiO2光催化剂的研究现状及发展
自从1972年Fujishima和Honda发现了TiO2可以作催化剂使用，即利用太阳光可以进行光分解水的性能以来，光催化反应技术便获得众人的青睐。多年的研究，逐步掌握了反应的机理。在此反应原理的基础上，众多学者探究到光催化反应不仅可以降解有机物质、而且对细菌和除异味有很好的效果。光催化技术还有很多优点，例如合适的反应温度，光催化剂本身无毒、无害、无腐蚀性，而且还没有二次污染等。因此，相比传统的高温，传统的催化，吸附技术，光催化在环境保护领域的应用具有明显的优势，近年来取得了长足的发展。因为TiO2性质稳定、没有毒和光催化活性好等优点，被普遍应用于光催化降解污染物、染料敏化太阳能电池、光降解水制氢等。但纯TiO2有较宽的禁带宽度（Eg=3.2ev），只有在波长小于387 nm 紫外光的激发下才会表现出光催化活性，但是照射到地表的太阳光中这部分紫外光的含量仅为4%~6%，这不利于TiO2对日光或人造光源中可见光的吸收，光催化的量子效率受到已知的TiO2的晶体结构，表面羟基自由基与晶格缺陷的影响。当前业界常采用金属/非金属元素混合、复合半导体和光敏化等技术拓展其光催化活性至可见光吸收区域。以TiO2为载体的光催化技术已成功应用于废水处理、空气净化、自清洁表面、染料敏化太阳电池以及抗菌等多个领域。由于TiO2具有稳定性好，无毒，具有光催化活性高的优点，结合光催化技术的发展现状，TiO2光催化剂已成功应用于实验室，国内目前需要的是把TiO2光催化剂应用于工业生产，使之工业化，更好的帮我们解决环境污染的问题。
1.1.2 纳米TiO2光催化剂制备机理
纳米TiO2光催化剂制作方式有固相法、液相法、气相法，然而液相法比较方便获得纳米TiO2粉末。本论文采用液相法，不过由于本次实验采用的是钛酸丁酯为原料，而钛酸丁酯与水反应太剧烈，所以实验采用无水乙醇做溶剂，减缓钛酸丁酯与水的反应，这样得到的纳米TiO2粒子分散就会更好，并且实验采用Ce做抑制剂，同样也可以减缓钛酸丁酯与水的反应，而且Ce可以对纳米TiO2进行改性，提高纳米TiO2光催化剂的催化活性，拓宽其在可见光区域的光谱吸收范围，使其在太阳光下的光催化降解效果更好。而本论文制备纳米TiO2选用的法子是低温制备法，就是将钛酸丁酯（C16H36O4Ti）加到无水乙醇中（其体积之比为1:2），在放入转子均匀搅拌，然后缓慢滴加乙醇，蒸馏水，乙酸，硝酸铈铵混合溶液，包括体积比4∶1∶1的乙醇，蒸馏水，乙酸，硝酸铈氨加入一定的量， 经1h 搅拌得到透明的掺杂铈的TiO2溶胶，放置一段时间就可以得到纳米TiO2凝胶，取出转子，放在烘箱中低温干燥24h，获得Ce掺杂的纳米TiO2粉体。XRD实验数据分析显示低温下制备的纳米TiO2光催化剂具有很好的锐钛矿晶型。而Fe(OH)3胶体的制备则是先制备室温下的饱和FeCL3溶液，然后往煮沸的100蒸馏水中滴到溶液成红褐色为止，此时就得到Fe(OH)3胶体溶液，一般加FeCl3饱和溶液的量在3滴左右。最后把制备好的Ce掺杂的纳米TiO2粉体边搅拌边加入到Fe(OH)3胶体溶液中，小火煮沸致近干，然后在烘箱中低温烘干24h，取出干燥后的粉体，用研钵研磨成粉末即得到实验要的Ce掺杂纳米Fe(OH)3/TiO2光催化剂。
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