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TiO2纳米管的制备及可见光下光电催化性能研究导师：刘惠玲教授学生：郁关明答辩提纲AddYourTextAddYourTextAddYourText环境激素不仅具有“三致”作用，还会严重干扰人类和动物的生殖遗传功能，对人类的生存和物种繁衍构成巨大威胁。制备TiO2纳米管，增大光催化过程中的催化剂的比表面积且催化剂容易回收。采用电催化耦合的方法，减少电子与空穴的复合，提高对甲草胺的降解效果。悬浮态TiO2光催化剂在污水处理过程中难以回收，而固定态TiO2比表面积小，因此光催化降解有机物能力有限。光激发产生的电子和空穴的容易复合，导致光量子效率很低，降低了光催化降解有机物的活性。课题的研究背景环境激素的研究现状O3/H2O2处理工艺O3/金属催化剂工艺H2O2为基础的均相光催化TiO2为基础的非均相光催化核辐射法高级氧化技术与其他技术联合处理TiO2纳米管的制备方法TiO2纳米管的制备方法阳极氧化法水热合成法 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 合成法水热法虽然可以制备小孔径的纳米管，但在制备较长纳米管阵列时，生长取向及形貌无法控制，并且与基板的结合力还需要改善。阳极氧化法可以通过控制工艺条件，如制备电压、制备时间、制备温度和煅烧温度等，制备不同尺寸的有序排列的纳米管阵列使用模板法比较容易控制纳米管的最终组成形貌，但由于反应体系的局限，很难制备孔径小的纳米管TiO2纳米管光电催化氧化原理TiO2纳米管研究中存在的问题问题1问题3问题2问题4对TiO2纳米管的掺杂改性、光催化效率、光电转换效率和光源波长范围的拓宽等方面的研究，也将是今后研究的重点虽然有关TiO2纳米管的报导在逐年增加，但大多仍停留在理论和实验阶段，关于其应用的报导还相对较少到目前为止，TiO2纳米管的制备技术仍不够完善，各种制备方法都有其优缺点。TiO2纳米管的制备装置和费用相对还较高，并且缺乏成型的反应装置，所以，还应加强对反应器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的重视。本课题的意义和实验内容第3章第4章第5章考察在不同制备条件下，如阳极电压、制备时间、制备温度、煅烧温度对TiO2纳米管的生长、结构、形态、尺寸的影响；并通过实验优化制备光催化活性较高的TiO2纳米管工艺参数。研究TiO2纳米管和TiO2薄膜在表面形貌、表面晶型、表面元素的价态和比表面积的差异，并研究TiO2纳米管光催化性能及其光催化降解甲草胺的动力学。研究外加恒电流和恒电压对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺降解效果的影响。比较TiO2纳米管和TiO2薄膜光电催化降解甲草胺的效果，并对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的动力学的进行研究。对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的机理进行探讨，研究外界条件如光照强度，外加偏压，pH，叔丁醇等对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺过程中羟基自由基产生量的影响。制备TiO2纳米管的实验装置阳极氧化制备TiO2纳米管的实验装置示意图钛箔(阳极)2.铂片(阴极)3.电解反应池4.恒温水浴锅5.直流电源6.温度计7.反应器盖光电催化氧化实验装置图1.氙灯；2.工作电极（阳极）；3.铂阴极；4.石英反应器；5.直流稳压电源光电催化降解甲草胺实验装置图氙灯发射光谱图氙灯发射光谱图TiO2纳米管的制备及条件优化第一部分TiO2纳米管制备原理TiO2+6F-+4H+→[TiF6]2-+2H2OTi4++2H2O→TiO2+4H+制备电压对形貌的影响5V10V15V20V25V制备电压对TiO2纳米管光催化性能的影响制备时间对TiO2纳米管形貌的影响20min1h5h10h制备时间对TiO2纳米管光催化性能的影响制备温度对TiO2纳米管形貌的影响制备温度对TiO2纳米管光催化性能的影响煅烧温度对TiO2纳米管形貌和晶型的影响未煅烧300℃500℃800℃煅烧温度对TiO2纳米管晶型的影响当煅烧温度不断升高过程中，TiO2纳米管从锐钛矿相向金红石相转变。这种转变显然会对TiO2纳米管的光催化效果产生影响，目前的研究普遍认为锐钛矿的光催化性能强于金红石相，当然也有研究显示两者按一定比例混合效果更好。煅烧温度对TiO2纳米管光催化性能的影响本章小结1.阳极氧化制备的TiO2纳米管在制备过程中，表面形貌受制备电压、制备时间、制备温度和煅烧温度的影响。研究结果表明，随着阳极氧化过程中制备电压的增加，纳米管的管径也跟着增大。在20V时，纳米管排列规则，结构良好。而当制备电压超过25V时，纳米管结构开始破坏。纳米管的管长随着制备时间的增加而增长。纳米管的管壁则随着制备温度的增加而减小。煅烧温度对纳米管形貌影响较小，当煅烧温度超过800℃时，纳米管结构破坏，形成块状的结晶体。本章小结2.阳极氧化制备条件导致TiO2纳米管形貌的变化，从而影响了TiO2纳米管光催化降解甲草胺的活性。TiO2纳米管对甲草胺的光催化降解效果随着制备电压的提高而也随之提高。随着制备时间的增加，对甲草胺的光催化降解效果基本为逐渐增加。在低温5℃和中温40℃下制备的TiO2纳米管都表现出较好的光催化活性。随着煅烧温度的升高，TiO2纳米管对甲草胺的光催化活性先提高后下降。3.结合TiO2纳米管对甲草胺的降解率以及实际应用情况，最后确定制备TiO2纳米管的条件为：制备电压为20V，氧化2h，制备温度为23℃，并在500℃下煅烧。TiO2纳米管的结构与光催化性能研究第二部分TiO2纳米管的表面形貌TiO2薄膜TiO2纳米管TiO2薄膜是多孔结构，孔径大概在0.1～0.2μm之间TiO2纳米管是管状结构，孔径只有75～90nm由于TiO2薄膜的孔径较大，而且孔与孔之间并不致密，因此相对于TiO2纳米管的致密的小管，比表面积必然要比TiO2纳米管小很多TiO2纳米管更容易吸附溶液中的有机物，由于光催化反应是在催化剂表面进行的，因此TiO2纳米管的光催化过程中能得到更多的光照辐射，更高的光量子效率，使得光催化活性将高于TiO2薄膜。TiO2纳米管的元素种类可能是在制备过程中，电解液中含有的NaF和Na2SO4进入到了TiO2纳米管纳米管内部，而清洗过程没法完全冲洗干净，F离子可能吸附在了表面，而S元素更容易在煅烧过程中可能随着结晶过程，进入到了TiO2纳米管表面的晶格中，具体S元素是以何种价态存在于TiO2纳米管表面，可通过XPS表征 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 得出。TiO2纳米管的晶体结构TiO2纳米管的元素形态ElementArea(cts-ev/s)SensitivityFactorConcentration(%)C1sTi2pO1sS2p190412509134771026.99448.40717.42815.50220.7719.7259.010.50TiO2纳米管的比表面积SampleBETSurfaceAreaLangmuirSurfaceAreaTiO2薄膜TiO2纳米管3.7447m²/g4.5837m²/g7.2151m²/g8.9535m²/gTiO2纳米管与TiO2薄膜光催化性能比较所用电极类型准一级反应动力学方方程式速率常数k(1/min)R的平方R2Photolysisy=0.00137x-0.006921.37×10-30.9753TiO2薄膜y=0.00268x-0.01942.68×10-30.9882TiO2纳米管y=0.00765x-0.036557.65×10-30.9955本章小结1.对阳极氧化制备的TiO2薄膜和TiO2纳米管进行一系列表征并进行比较可知，TiO2纳米管表面为致密的小管，而TiO2薄膜表面为疏松的小孔。通过EDS和XPS可以看出，TiO2纳米管和TiO2薄膜表面的元素基本相同，虽检测到痕量的S或F，但都属于吸附在电极表面，并未进入晶格。XRD结果表明，两种催化剂的晶型类似，TiO2纳米管中锐钛矿含量比TiO2薄膜略高。而BET测试表明TiO2纳米管的比表面积明显高于TiO2薄膜。2.使用TiO2薄膜和TiO2纳米管对甲草胺进行光催化，降解率为26.64%和59.54%，TiO2纳米管的光催化活性明显高于TiO2薄膜。造成这种结果的原因主要是因为TiO2纳米管比TiO2薄膜拥有更大的比表面积以及更多的锐钛矿相。3.对TiO2薄膜和TiO2纳米管光催化降解甲草胺进行反应动力学研究，发现反应符合准一级反应动力学，两者动力学速率常数分别为2.68×10-3min-1和7.65×10-3min-1。TiO2纳米管光催化降解甲草胺的反应动力学速率常数明显高于TiO2薄膜，约为后者的2.85倍。TiO2纳米管光电催化降解甲草胺研究第三部分外加恒电流对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的影响TiO2薄膜TiO2纳米管外加恒电压对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的影响TiO2薄膜TiO2纳米管TiO2纳米管光催化与光电催化降解甲草胺效果的比较外加恒电流条件下降解效果的比较TiO2薄膜TiO2纳米管外加恒电压条件下降解效果的比较TiO2纳米管光催化与光电催化降解甲草胺效果的比较TiO2薄膜TiO2纳米管TiO2纳米管光电催化降解甲草胺反应动力学外加恒电流条件下降解反应动力学TiO2纳米管光电催化降解甲草胺反应动力学外加恒电压条件下降解反应动力学所用电极类型准一级反应动力学方程式速率常数k(1/min)R的平方R2PEC-TNTy=0.0196x-0.062419.62×10-30.9976PEC-TiO2y=0.0162x-0.007516.16×10-30.9995EC-TNTy=0.0011x+0.00441.11×10-30.9447EC-TiO2y=0.0009x+0.00190.91×10-30.9743TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的机理初探光源的辐照强度对测定体系产生·OH的影响pH值对测定体系生成·OH的影响外加偏压对测定体系产生·OH的影响叔丁醇对测定体系生成·OH的影响本章小结1.使用阳极氧化制备的TiO2薄膜和TiO2纳米管光电催化氧化甲草胺，研究了外加恒电流和外加恒电压对TiO2薄膜和TiO2纳米管光电催化降解甲草胺效果的影响。对TiO2薄膜，外加5mA电流或外加2V电压时，对甲草胺的光电催化降解效果最好。而对于TiO2纳米管，外加8mA电流或外加2.5V电压时，对甲草胺降解效果最好。2.使用TiO2薄膜和TiO2纳米管光电催化氧化甲草胺，无论是外加恒电流还是外加恒电压，对甲草胺的降解率都明显高于单独光催化的降解率，并且高于光催化与电催化降解率之和，存在协同作用。TiO2纳米管在外加5mA下，光电催化协同效应不明显，可能是因为电催化效果较好，与光催化产生了竞争作用，共同争夺溶液中可被转化为强氧化性自由基的物质。3.外加5mA电流或外加2V电压，TiO2纳米管无论是光电催化还是电催化降解甲草胺的降解效果，都明显高于TiO2薄膜。研究TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的动力学，反应符合准一级反应动力学模型。4.初步讨论了TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的机理，使用TiO2纳米管光电催化降解甲草胺过程中，外加恒电流或者外加恒电压的存在，降低了光催化过程中电子与空穴的复合，使得空穴增加，空穴能捕获溶液中的OH-和SO42-，生成·OH，S2O82-和SO4-·等强氧化性自由基，进而氧化溶液中的有机物，并且可以抑制有机物在阴极的再次还原。5.在光电催化反应过程中检测到·OH的生成，·OH含量随着光源辐照强度的增加而增加；当pH=4.6时，·OH生成量最多；并随着外加偏压增大，·OH生成量增加，而随着叔丁醇含量的增加而减少。本章小结结论随着制备电压的增加，纳米管管径增大。当电压超过25V时，纳米管结构开始破坏。纳米管的管长随着制备时间的增加而增长。管壁则随着制备温度的增加而减小。煅烧温度对纳米管形貌影响较小，但当煅烧温度超过800℃时，纳米管结构破坏，形成块状的结晶体。TiO2纳米管制备的最优条件为：制备电压为20V，氧化2h，制备温度为23℃，在500℃下煅烧。TiO2纳米管表面为致密的小管，而TiO2薄膜表面为疏松的小孔。TiO2纳米管与TiO2薄膜表面的元素基本相同，表面的晶型也相同，但TiO2纳米管中锐钛矿含量比TiO2薄膜略高。BET测试表明TiO2纳米管的比表面积明显高于TiO2薄膜。由于这两种催化剂表面结构的差异，TiO2纳米管对甲草胺光催化降解率达到了59.54%，明显高于TiO2薄膜26.64%的降解率。改变外加恒电流和外加恒电压都会对TiO2薄膜和TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的降解效果产生较大影响。对于TiO2薄膜，外加5mA电流或外加2V电压时，对甲草胺的降解效果最好。而对于TiO2纳米管，外加8mA电流或外加2.5V电压时，对甲草胺降解效果最好。在相同外加恒电流或恒电压条件下，TiO2纳米管无论是光电催化还是电催化降解甲草胺，降解效果都明显高于TiO2薄膜，反应符合准一级反应动力学模型。外加恒电流条件下，TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的动力学速率常数为21.17×10-3，是TiO2薄膜降解反应动力学常数14.81×10-3的1.43倍。在外加恒电压条件下，TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的动力学速率常数为19.62×10-3，略大于TiO2薄膜的16.16×10-3。对TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的机理探讨：外加恒电流或者恒电压手段迫使光生电子向对电极方向移动，降低了光电催化过程中电子与空穴的复合，使得空穴增加，空穴能捕获溶液中的OH-和SO42-，生成·OH和S2O82-，并可能进一步产生SO4-·，或在阳极产生O3，进而氧化溶液中的有机物，并且在阴极可能产生H2O2，可以抑制有机物在阴极的再次还原。而且导带电子能被引到阴极还原水中的H+，因此即使不向系统内鼓入作为电子俘获剂的O2也不会继续还原有机物。使用TiO2纳米管光电催化降解甲草胺的过程中，·OH为降解甲草胺的主要活性氧化物种，·OH含量随着光源辐照强度的增加而增加；当pH为4.6时，·OH生成量最多；并随着外加偏压增大而增加，随着叔丁醇含量的增加而减少。攻读学位期间发表的学术 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 1.郁关明,刘惠玲*,韩蕾,周亚斌.可见光响应的改性TiO2光电极制备及光催化活性研究.海峡两岸水处理化学大会.（已接收）2.LeiHan,HuilingLiu,YanjunXin,GuanmingYu,LixinSun.PreparationofLanthanum-dopedTiO2/TiphotoelectrodeandtheirphotoelevtrocatalyticPerformanceundervisiblelightirradiation.3rdInternationalConferenceonBioinformaticsandBiomedicalEngineering,iCBBE,2009(EI)