石墨烯包裹铁离子掺杂二氧化钛复合材料光催化性能研究

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1、学校代号10532学号S150300418分类号X705密级硕士学位论文石墨烯包裹铁离子掺杂二氧化钛复合材料光催化性能研究学位申请人姓名石江波培养单位环境科学与工程学院导师姓名及职称陈桂秋教授曾光明教授学科专业环境科学与工程研究方向水污染控制工程论文提交日期2018年5月20日学校代号：10532学号：S150300418密级：湖南大学硕士学位论文石墨烯包裹铁离子掺杂二氧化钛复合材料光催化性能研究学位申请人姓名：石江波导师姓名及职称：陈桂秋教授曾光明教授培养单位：环境科学与工程学院专业名称：环境科学与工程论文提交日期：2018年5月20

2、日论文答辩日期：2018年6月3日答辩委员会主席：黄丹莲教授ResearchofgraphenewrappedFe-dopedTiO2compositewithhighphotocatalysisperformancebySHIJiangnboB.E.(HubeiEngineeringUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinEnvironmentalScienceandE

3、ngeeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorCHENGuiqiuMay，2017硕士学位论文摘要二氧化钛(TiO2)是一种常见光化学催化剂，具有化学稳定，长效性，低毒性，强氧化性以及低成本等优良性质，因此被广泛应用于光降解降解污染物领域。但TiO2具有较宽的禁带宽度（3.20eV)，仅可以响应波长在387nm以下区域的紫外光，这部分光大约只占太阳光的4%；而且TiO2在光催化反应过程中，光激发产生的电子空穴对会快速重新结合，载流子产生效率较低，这都极大的限

4、制其光降解污染物的效率。因此，如何有效提高二氧化钛光催化效率一直是TiO2科研领域的热点问题。表面改性，元素掺杂，材料复合等都被应用于二氧化钛改性。本课题选择自然环境中含量丰富的铁对二氧化钛进行掺杂以减小其禁带宽度，增加光利用效率；采用石墨烯对材料进行包裹，利用其电子传递能力和吸附性能，提高电子和空穴的分离效率，增加污染物吸附到光反应界面，从而增加光降解的效率。实验中，我们应用优化的的Hummers方法制备了氧化石墨烯(GO)，结合溶胶-凝胶法制取锐钛矿二氧化钛的原理，采用一步水热反应成功制备了不同铁离子掺杂量的石墨烯包裹铁离子掺杂的锐

5、钛矿TiO2复合光催化材料(G-TiO2-Fe(0)、G-TiO2-Fe(5)、G-TiO2-Fe(10)和G-TiO2-Fe(20))，运用扫描X-射线衍射分析（XRD）、场发射电子显微镜（FE-SEM）、紫外可见漫反射分析（DRS）等多种方法对材料进行表征，研究其结构性质的变化，并以亚甲蓝（MB）作为光催化降解对象，对其光降解有机污染物的性能进行研究，实验表明：（1）铁离子掺杂和石墨烯包裹可以有效的增加TiO2的光催化活性，其中G-TiO2-Fe（0）、G-TiO2-Fe（5）、G-TiO2-Fe（10）和G-TiO2-Fe（20）

6、的禁带宽宽度分别下降为3.04eV、2.99eV、2.89eV和2.37eV；（2）不同铁掺杂量的G-TiO2-Fe复合材料光催化性能存在显著差异，其中Fe掺杂为0.47%的G-TiO2-Fe（10）表现出最佳的光催化性能，在可见光照射（120min）和模拟太阳光照射（60min）条件下，其对10mg/LMB降解率可以达到99%以上；（3）10mgFeCl3•6H2O掺杂的复合材料（G-TiO2-Fe（10））具备优良光催3+化性能的原因是充当“电子和空穴陷阱”的Fe和具有吸附和电子转移功能的石墨烯的协同作用。综上所述，本课题成功制备了

7、一种具备优良光催化性能的新型光催化剂，并且具有实际应用的潜力。关键词：二氧化钛；石墨烯；铁掺杂；光催化；亚甲基蓝II石墨烯包裹铁离子掺杂二氧化钛复合材料光催化性能研究AbstractTitaniumdioxide(TiO2),acommonphotochemicalcatalystwithmanyexcellentpropertiesincludinghighchemicalinertness,long-termstability,slighttoxicity,strongoxidationandlowcost,hasbeenwidel

8、yappliedinthefieldofphotocatalysis.Whilewithawideenergygapreachedto3.20eV,TiO2photocatalystcouldonlyres