學(xué)術(shù)碩士學(xué)位論文開題報(bào)告-馮氏云.doc

碩士學(xué)位論文開題報(bào)告001面TiO2光催化劑的制備及其光催化活性研究研 究 生： 馮氏云 指導(dǎo)教師： 胡蕓 學(xué) 號(hào)： 201020140251 學(xué) 院： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 環(huán)境科學(xué) 華南理工大學(xué)研究生院二一二年三月一、摘要論文題目中文001面TiO2光催化劑的制備及其光催化活性研究英文The Preparation of Anatase TiO2 with 001 facets and its Photocatalytical Activity 摘 要（不超過800字）TiO2的001面具有很高的光催化活性，但是由于001面具有較高的表面能，大多數(shù)可用的銳鈦礦晶體主要由熱力學(xué)穩(wěn)定的101晶面構(gòu)成，本文以HF為形狀控制劑，采用水熱法合成001面TiO2，以羅丹明B為模型反應(yīng)物，考察了其在紫外光下的光催化性能，及其不同的光催化條件對(duì)反應(yīng)的影響。關(guān)鍵詞中文001面，TiO2光催化劑，光催化活性英文001facets/ titanium oxides Photocatalytical/ Photocatalytical Activity1、關(guān)鍵詞數(shù)量不少于三個(gè)； 2、關(guān)鍵詞之間空一格（英文用/分隔）二、立題依據(jù)1. 光催化原理光催化過程是指分子吸收光能后變成激發(fā)態(tài)而發(fā)生各種反應(yīng)。半導(dǎo)體的基本能帶結(jié)構(gòu)是由價(jià)帶和導(dǎo)帶構(gòu)成的，半導(dǎo)體內(nèi)存在一系列的滿帶，最上面的滿帶稱為價(jià)帶；半導(dǎo)體內(nèi)亦存在一系列的空帶，最下面的空帶稱為導(dǎo)帶；價(jià)帶和導(dǎo)帶之間為禁帶?；镜墓馕锢砗凸饣瘜W(xué)基本原理已經(jīng)建立并被很多文獻(xiàn)報(bào)道1。TiO2是一種n型半導(dǎo)體，禁帶能約為3.2 eV (銳鈦礦型)，相當(dāng)于波長(zhǎng)為387.5nm的光子能量。當(dāng)TiO2受到波長(zhǎng)小于或等于387.5nm的光子能量照射時(shí)，價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶上，從而產(chǎn)生了光生電子(e-)-空穴(h+)對(duì)。以下的鏈反應(yīng)已經(jīng)被廣泛假定2：光激發(fā)： TiO2/SC+he- + h+ (1)氧氣電離吸附： （O2）ads + e-O2- (2)水的離解： H2OOH- + H+(3)超氧基的質(zhì)子化： O2-+H+HOO (4)過氧羥基自由基在（4）式中形成，同時(shí)也具有凈化性質(zhì)，比如O2，因此延長(zhǎng)了光生空穴的壽命： HOO+ e-HO2- (5) HOO- + H+H2O2 (6)氧化和還原可以同時(shí)在光激發(fā)半導(dǎo)體催化劑表面發(fā)生，如圖1。只有氧氣消除掉電子而形成超氧自由基，它的質(zhì)子化形式過氧羥基自由基和后來的雙氧水，電子和空穴間才發(fā)生復(fù)合。3圖1.光子激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的光物理和光化學(xué)過程圖.（p）光生電子/空穴對(duì)，（q）表面復(fù)合，（r）體相的復(fù)合，（s）半導(dǎo)體表面上電子受體的擴(kuò)散和還原，（t）半導(dǎo)體顆粒表面底物的氧化。反應(yīng)產(chǎn)生的羥基自由基(OH)、超氧離子自由基(O2-)以及HO2自由基都具有很強(qiáng)氧化性，能直接把有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無機(jī)小分子。42. TiO2光催化劑的應(yīng)用 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展給人類的生活帶來日新月異的變化，但是卻給環(huán)境帶來了很大的污染問題。許多國(guó)家投入了大量人力物力用于環(huán)境凈化材料及環(huán)境治理技術(shù)等方面的研究和開發(fā)5,6。TiO2有3種晶體結(jié)構(gòu)：板鈦礦型、銳鈦礦型、金紅石型。TiO2在降解多種環(huán)境污染物表現(xiàn)出優(yōu)異的能力，TiO2光催化劑具有安全無毒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能效高，無污染等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域7,8。其中包括水處理治理，降解各類有機(jī)污染物、染料、殺蟲劑等17-21；而TiO2在大氣污染方面亦可用來去除VOCs，NOx，甲醛，臭味等；在能源方面可用于光分解產(chǎn)生氫氣；在醫(yī)療方面，納米催化劑應(yīng)用于抗菌，殺菌等9-12。3. 001面TiO2光催化劑研究現(xiàn)狀TiO2在降解多種環(huán)境污染物中表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能，但是TiO2存在一定的問題：其光生電子空穴復(fù)合率較高，量子效率低，導(dǎo)致光催化活性有所下降。001面TiO2光催化劑相較101面TiO2具有更高的光催化活性，然而像001面這樣的高活性表面在晶格生長(zhǎng)過程中通常會(huì)迅速減少，大部分可用的銳鈦礦TiO2晶格主要為101面(94%)。有研究發(fā)現(xiàn)F可抑制其它晶面的生長(zhǎng)，有利于001面形成13。此研究主要研究反應(yīng)條件對(duì)001面TiO2在光催化反應(yīng)過程中的影響。 自從1972年日本學(xué)者Fujishima和Honda7在n型半導(dǎo)體TiO2單晶電極上實(shí)現(xiàn)了水的光電催化分解制氫氣以來，多相光催化技術(shù)引起全世界科技工作者的極大關(guān)注。08年Lu13等人發(fā)現(xiàn)采用F可有效抑制其它晶面的生長(zhǎng)，有利于001面形成。這對(duì)光催化領(lǐng)域發(fā)展具有非常重大的指導(dǎo)意義。Lu13等人報(bào)道了通過HF作為形狀控制劑合成的銳鈦礦TiO2微晶具有47%高能001面。此外，銳鈦礦單晶F表面可以很容易地使用清潔熱處理無氟表面，而不改變晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)。 Han14等人用HF作為溶劑合成銳鈦礦TiO2納米片具有89%001面，充分利用了氟離子對(duì)001表面的穩(wěn)定效果，另外，其光催化降解水中有機(jī)污染物具有非常好的光催化效果。 蔡陳靈15等人采用非水體系溶劑熱法制備了001面暴露的銳鈦礦相F/TiO2納米光催化劑，結(jié)果亦表明：F的摻雜對(duì)TiO2納米單晶的形成影響很大?；诒菊n題組的前期研究16，研究亦表明：以鈦酸丁酯為鈦源、HF 為形貌控制劑，采用簡(jiǎn)單的水熱法可合成具有高催化活性表面的 001 面納米TiO2。在紫外光下具有較高的光催化活性，且隨著F含量增加，其光催化活性先逐漸增加后減小，紫外光照射20 min后羅丹明B最高降解率可達(dá)80%以上。4. 小結(jié)綜上所述，001面TiO2在環(huán)境應(yīng)用方面具有良好的前景，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。通過HF作為形狀控制制改性合成001面TiO2提高其中紫外光下光催化活性亦具有可行性。5. 主要參考文獻(xiàn)及出處1 Juan Zhao, Xudong Yang. Photocatalytic oxidation for indoor air purification: a literature reviewJ. Building and Environment, 2003, 38: 645-654.2 Umar Ibrahim Gaya, Abdul Halim Abdulah. Heterogeneous photocatalytic degradation of organic contaminants over titanium dioxide：A review of fundamentals, progress and problemsJ. Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry Reviews , 2008, 9: 1-12.3 陳建華, 龔竹青. TiO2半導(dǎo)體光催化材料離子摻雜M. 北京: 北京科學(xué)出版社, 2006: 2-54 高鐮, 鄭珊, 張青紅. 納米氧化鈦光催化材料及應(yīng)用M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002. 25-34)5 江海軍，張瑾，奚麗荷，等. TiO2半導(dǎo)體光催化劑在污水處理中的研究進(jìn)展J. 材料導(dǎo)報(bào). 2007, 21(F05): 54-57.6 Juan Zhao, Xudong Yang. Photocatalytic oxidation for indoor air purification: a literature reviewJ. Building and Environment, 2003, 38: 645-654.7 Fujishima A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semconductor electrode J.Nature, 1972, 238: 37-38。8 韓世同, 習(xí)海玲, 史瑞雪, 付賢智, 王緒緒. 半導(dǎo)體光催化研究進(jìn)展與展望J. 化學(xué)物理學(xué)報(bào), 2003, 16 (5) : 340-349.9 鐘璟, 邢衛(wèi)紅, 徐南平, 等. 廢水中有機(jī)污染物高級(jí)氧化過程的降解J. 化工進(jìn)展, 1998, 4: 51-5310 詹雪艷, 宋丹丹, 曾勝年, 等. TiO2光催化去除有機(jī)污染物的研究進(jìn)展J. 化學(xué)研究與應(yīng)用, 2002, 14(4): 387-39011 Cai R, Hashimoto K, Kubota. et a1.Incremenr of photocatalytic killing of cancer cells using TiO2 with the aid of superoxide dismutaseJ. Chem. Lett., 1992, 243(3): 427-43012 周銘. 納米TiO2研究進(jìn)展J. 涂料工業(yè), 1996(4): 36-39)13 HuaGui Yang, ChengHua Sun, et al. Anatase TiO2 single crystals with a large percentage of reactive facetsJ. Nature, 2008, 453: 638-642.14 Xiguang Han, Qin Kuang, et al. Synthesis of Titania Nanosheets with a High Percentage of Exposed (001) Facets and Related Photocatalytic PropertiesJ. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131: 31523153.15 蔡陳靈,王金果,曹鋒雷,李和興,朱建. 非水溶劑熱法制備(001)面暴露的F/TiO2納米晶及其光催化活性J. 催化學(xué)報(bào), 2011, 32 (5) :862-871.16 龔倩，胡蕓，韋朝海. 001面TiO2納米片的制備及其不同含F(xiàn)量對(duì)光催化活性的影響J. 硅酸鹽通報(bào), 2011, 30(6): 1367-1370.17 Frank A J, Kopidakis N, Lagemaat J. Electrons in nanostructured TiO2 solar cells: transport, recombination and photovoltaic propertiesJ. Coordination Chemistry Review, 2004, 248: 1165-1179.18 Kikuchi Y. Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 thin films: dynamic view of the active oxygen species responsible for the effectJ. J. Photochem. Photoboi. A: Chem, 1997, 106: 51-56.19 Cai R, Hashimoto K, Kubota. et a1.Incremenr of photocatalytic killing of cancer cells using TiO2 with the aid of superoxide dismutaseJ. Chem. Lett., 1992, 243(3): 427-430.20 周銘. 納米TiO2研究進(jìn)展J. 涂料工業(yè), 1996(4): 36-39.三、研究方案及工作基礎(chǔ)1、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題2、擬采取的研究方法及技術(shù)路線3、研究工作基礎(chǔ) 1. 研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題1.1 研究目標(biāo)本課題旨在研究001面TiO2，通過水熱法合成001面TiO2，希望能提高光催化反應(yīng)的量子效率，通過控制不同的反應(yīng)條件考察對(duì)光催化化活性的影響，分析001面TiO2光催化降解水中有機(jī)污染物的機(jī)理，為TiO2的產(chǎn)業(yè)化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1.2 研究?jī)?nèi)容（1）通過HF作為形態(tài)控制劑，采用水熱法合成001面TiO2。（2）不同反應(yīng)條件對(duì)光催化活性的影響實(shí)驗(yàn)。1.3 擬解決的關(guān)鍵問題（1）研制篩選出001面TiO2光催化劑，使催化活性提高。并通過表征手段證實(shí)001面的形成。（2）研制篩選出最佳反應(yīng)條件，解析其光催化降解有機(jī)物的機(jī)理，希望使有機(jī)物徹底無害化降解，為處理有機(jī)污染物的環(huán)境友好型處理新技術(shù)提供支持。2. 擬采取的研究方法及技術(shù)路線2.1 研究方法001面TiO2合成路徑2.2 技術(shù)路線（1）通過自制的反應(yīng)器，考察所制備樣品的光催化活性。（2）不同pH對(duì)光催化活性的影響。（3）不同催化劑含量對(duì)光催化活性的影響。（4）表面F對(duì)光催化活性的影響。3. 研究工作基礎(chǔ)在研究生一年級(jí)，針對(duì)自己的研究領(lǐng)域，看了些文獻(xiàn)，期間在老師的指導(dǎo)下。掌握了一定的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)際操作基礎(chǔ)。在研究生二年級(jí)期間，通過查閱文獻(xiàn)及老師的指導(dǎo)，學(xué)會(huì)了主要試驗(yàn)儀器的操作和個(gè)種主要分析測(cè)試手段的試樣的制備等，對(duì)001面TiO2已具有一定的理論認(rèn)識(shí)，對(duì)今后的進(jìn)一步研究提供了有力的基礎(chǔ)。四、論文工作計(jì)劃及預(yù)期成果論文工作進(jìn)度安排起止時(shí)間工作內(nèi)容備注2011.11.-2012.2文獻(xiàn)調(diào)研、資料整理，確立課題的研究?jī)?nèi)容，建立相應(yīng)的分析方法。2012.3.-2012.6完成研究?jī)?nèi)容（1）2012.7.-2013.2完成研究?jī)?nèi)容（2）2013.3-