探析负载型二氧化钛降解环已烷、丙酮及其晶体掺杂理论研究

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1、广东工业大学硕士学位论文负载型二氧化钛降解环已烷、丙酮及其晶体掺杂理论研究姓名：彭康华申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：潘湛昌20070501摘要本文采用溶胶一凝胶法，以活性碳／石墨片、泡沫镍片为载体，制备了负载型的半导体二氧化钛光催化剂，并对其进行了XRD、SEM等表征。并以制备的光催化剂负载为工作电极，通过高聚物固体电解质Nafion分隔阴、阳极，构成新型气相光电催化反应系统。在主波长253．7rim的紫外灯(gw和4W)为光源下，设计并制作了适合实验室研究工作的光催化和光电催化降解反应装置。选择

2、具有代表性的环已烷和丙酮为降解对象，在自制光电催化降解反应装置内对其在该负载型光催化剂上的光催化、光电催化降解进行了研究，探讨了影响降解速率的一些因素，如涂敷层数、热处理温度、外加电压、水蒸气含量、催化剂掺杂等，并比较了不同制备方法、不同负载催化剂的催化效果。通过气相色谱仪测定目标物降解过程的浓度来考察降解效率，结果表明降解环已烷时催化剂在涂敷三层时催化活性最好；外加电压为20V时，降解速率最快；水蒸气和样品的体积比分别为20：1和30：1时，降解率最高；掺杂金属离子也可以提高催化活性。通过红外光谱来表征反应

3、最终产物，环己烷已被氧化成己二醇和C02。光催化降解丙酮时，以TiOS04为原料自制催化剂降解丙酮效率比以P25为催化剂降解丙酮效率稍高，这有可能为制备Ti02光催化剂提供一条合适的工业化生产途径。光催化、光电催化反应的降解动力学可以用Langmuir-Hinshelwood模型描述，光催化、光电催化降解反应均符合一级反应动力学，线性关系较好。本文中环已烷光催化时光催化反应速率常数k=8．74X1019／m'·min，Langmuir吸附常数K=I．1445m3／g。用第一性原理探讨Ti02离子掺杂的理论模拟

4、计算，模拟了掺杂N、Fe(III)、Pt(Ⅵ)、La(III)等锐钛矿相TiO：对能隙、Fermi能级、态密度等的影响，以探讨其可见光活性的原因。计算结果发现，表面HOMO和LUMO分别主要由Ti的3d轨道和0的2p轨道构成。对于N掺杂，在价带区出现了N的2s态，增加了N掺杂的稳定性，并发现N掺杂从两个方面使Ti02材料的带隙变窄：一为在价带的上方引入了独立的能级，在导带下方引入一个宽为0．9eV左右的能带，这两个掺杂能级使其禁带减小；二为N掺杂使Fermi能级移入价带，使光学吸收边向高能方向移动而使带隙变窄

5、。对于Fe(III)、Pt(YI)、La(III)等掺杂锐钛矿TiO：晶体，掺杂后Ti02I广东工业大学工学硕士学位论文禁带变小，因为在Ti02的禁带之中也形成了杂质能级，使其吸收波长范围扩展至可见光区域，使光生电子的激发效率提高，从而提高了催化活性。掺杂后也使得TiO：的Fermi能级降低，从而使电子一空穴在表面的复合几率降低，增强了光催化的活性。关键词：光催化；气相光电催化；环已烷；丙酮：密度泛函IIABSTRACTImmobilizedTi02thinfilmelectrodedepositedonpo

6、rousnickelandcarbon／graphitesheetwerepreparedbySol-GelmetedandwerecharacterizedbyXRDandSEM．Usingthethinfilmelectrode雒workingelectrode．anovelsystemofgaSphase-photoelectrocatalysisisformedbycompartedthecathodeandanodewithhighpolymersolidelectrolyteNation．Area

7、ctorwasdesignedbasedontheneedofresearch,using9Wand4WUVlamp(365nm)aSlightsource，InthisreactorthephotodegradationandphotoelectrocatalyticdegradationofcyclohexaneandacetoneWaSstudied．TheeffectsofsomefactorssuchasthecoatingLayersofTi02，calcinationstan'qDemture，

8、thesuitableexternalvoltage，thevolumeratiobetweenwatervaporandspecimenandtheironsdopingwereresearched．ThephotocatalyticefficiencyofTiOzwascomparedbetweendifferenceofpreparedmethodanddifferenceofcarriedc