【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具有強(qiáng)氧化性的 OH和 O 2（ 反應(yīng) 式 （ 5） ～ （ 9） ） [913]。光生載流子 (激發(fā)態(tài)電子和空穴 )被俘獲 轉(zhuǎn)移后，與電子給體或受體發(fā)生反應(yīng)對(duì)光催化過程來說才是有效的 。 光生空穴有很強(qiáng)的氧化能力，可奪取半導(dǎo)體顆粒表面吸附物質(zhì)或溶劑中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)被氧化降解；受體接受光生電子被還原后，其表面具有很強(qiáng)的氧濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 4 化還原能力，可氧化去除大氣中微量有毒的氮化物及硫化物等污染物 (如 NOX、H2S 和 SOX )。 TiO2 + hv e + h+ （ 1） e + h+ N + energy( hv′ hvorheat) （ 2） OH + h+ OH +H+ （ 3） OH + h+ OH （ 4） e +O2 O 2 （ 5） O 2 +H2O OOH +OH （ 6） 2OOH H2O2 +O2 （ 7） OOH +H2O + e H2O2 +OH （ 8） H2O2 + e amp。OH +OH （ 9） 圖 1 半導(dǎo)體 TiO2 光催化機(jī)理 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平 環(huán)境污染的控制與治理是 21世紀(jì)面臨和亟待解決的重大問題 。 隨著 科技 的不斷發(fā)展 和探索 ， 光催化技術(shù) 成為一種理想的環(huán)境污染治理方法 。 自 1972年 Fujishima和Honda[7]在 Nature雜志上報(bào)道 ,發(fā)現(xiàn)受輻照的 TiO2 上可以持續(xù)發(fā)生水的氧化還原反應(yīng) ，并產(chǎn)生氫以來 ， TiO2就因其穩(wěn)定性好 ,成本低 ,易摻雜改性等優(yōu)點(diǎn) ， 而被認(rèn)為是一種理想的光催化材料 ,從而得到了廣泛的研究 [813]， 從而 引起 越來越多的 研究者對(duì)半導(dǎo)體在光作用下能否用于污染控制的興趣 。 研究表明 ， 作為一種無毒的半導(dǎo)體材料 ， TiO2在光催化降解有機(jī)污染物方面的研究與應(yīng)用尤為重要 。 目前對(duì) TiO2 光催化的研究主要集中在 ： (1)TiO2固載膜的研制和性能優(yōu)化 ； (2)提高 TiO2 光催化降解效率 ； (3)將 TiO2濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 5 的 吸收光譜 移到可見光區(qū) 。 但是 TiO2在實(shí)用化過程中有 些自身的缺陷 ： (1)帶隙較寬( eV)， 只能吸收波長(zhǎng)小于 387 nm的紫外光 ， 但是 這樣波長(zhǎng) 的 紫外光僅占 可太陽(yáng)光的 4%左右 ， 因此 TiO2對(duì)太陽(yáng)光的利用率低 ； (2)光生電子 2個(gè) 空穴對(duì)壽命短 ， 光催化過程量子效率低 。 為了解決上述問題 ， 研究者們采用摻雜 金屬離子、貴金屬沉積、半導(dǎo)體復(fù)合等方法試圖提高其光催化效率 ， 并取得了較大的進(jìn)展 [20]。 從 20世紀(jì) 70年代初期 開始 ， 國(guó) 內(nèi) 外許多學(xué)者 開展這方面的研究 。 1976年 ， G. H. Cary報(bào)道了 TiO2水濁液在近紫外光的 照射下可使多氯聯(lián)笨脫氯 ， 注意到 TiO2水體系在光照條件下可非選擇性氧化 (降解 )各類有機(jī)物 ， 并使之徹底礦化 ， 生成 CO2和 H2O。同年 S. N. Frank等研究了多晶電極 /氙燈作用下對(duì)二苯酚、 I、 Br、 Cl、 Fe2+、 Ce3+、 CN的光解 [13]和用粉末來催化光解水中污染物取得了滿意的結(jié)果 [14]。 S. N. Frank等 [15]。在1977年又用 TiO ZnO、 CdS、 Fe2O WO3等多種催化劑在氙作光源情況下 ， 對(duì) CN和 SO3進(jìn)行光解研究 ,結(jié)果 TiO ZnO、 CdS能有效催化氧化 CN為 CNO； TiO ZnO、CdS和 Fe2O3能有效催化氧化 SO32為 SO42。 80年代中期 ， 我國(guó)學(xué)者 開 始 了 對(duì) 半導(dǎo)體光催化的研究 。 研究證實(shí) ,烴類和多環(huán)芳烴、染料、農(nóng)藥和氰化物等 有機(jī)物 都能 在 光催化反應(yīng) 中 得到有效去除 ,脫色、去毒、礦化為無毒無機(jī)小分子物質(zhì) ， 從而消除對(duì)環(huán)境的污染 。 而且 ， 國(guó)外研究者也開展了 對(duì)半導(dǎo)體光催化諸多方面的問題深入研究 ,主要 包括 ： 半導(dǎo)體光催化材料的篩選和制備 ，半導(dǎo)體光催化活性產(chǎn)生的機(jī)制及所產(chǎn)生的活性種 ， TiO2光催化劑固定化及尺寸量子化 ， 半導(dǎo)體光催化礦化各種有機(jī)物的機(jī)理和各種形式的半導(dǎo)體光催化 反應(yīng)器等 。目前已研究過的半導(dǎo)體光催化劑有 ： TiO ZnO、 CdS、 Fe2O WO ZnS、 SnO2等 。 尤以 TiO CdS催化活性最強(qiáng) ， 但 CdS在光照條件下自身不穩(wěn)定 ， 易發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)腐蝕 ， 而 TiO2的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定且成本低、無毒、催化活性高、氧化能力強(qiáng) ,所以最為常用 。 但 TiO2吸收的太陽(yáng)能僅占總太陽(yáng)能光強(qiáng)的 4%， 對(duì)太陽(yáng)光的利用率低。所以 ， 圍繞 TiO2改性、提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化率、改進(jìn)光催化方法和光反應(yīng)器、提高光催化效率 等技術(shù) ， 成為目前半導(dǎo)體光催化方法應(yīng)用于污染控制的諸多研究中最活躍的領(lǐng)域 。 最近 ， 利用 高穩(wěn)定染料修飾納米 TiO2， 給納米光催化技術(shù)的基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用注入了新的活力 。 使敏化的 TiO2納米光催化拓展到可見光成為近年國(guó)際上最活躍的研究領(lǐng)域之一 。 存在的問題 光催化氧化技術(shù)是一種高級(jí)氧化技術(shù) ， 利用太陽(yáng)光引發(fā)光催化過程達(dá)到降解污染物的目的 ， 近年來在有機(jī)污染物處理的領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用 。 在諸多半導(dǎo)體光催化材料中 ， TiO2 以其價(jià)廉、無毒、氧化能力強(qiáng)和化學(xué)穩(wěn)定性好、無二次污染而在污水處理、空氣凈化、殺菌消毒及制備具自潔抗菌等功能的新型材料方面 [13]有著廣闊的應(yīng)用前景 ， 成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn) 。 TiO2 在光的作用下 ， 可產(chǎn)生具有其強(qiáng)氧化能力的羥濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 6 基自由基 HO， 最終使水中的有機(jī)污染物完全氧化 ， 生成 CO H2O 及其它一些無機(jī)離子 [18]。 TiO2 光催化降解現(xiàn)在還基本上停留在實(shí)驗(yàn)室水平 ， 實(shí)際應(yīng)用很少。這主要因?yàn)椋弘m然 TiO2 相對(duì)其他半導(dǎo)體光催化劑如 CdS、 ZnO 等而言 ， 具有較高的活性 ，但由 于 TiO2 半導(dǎo)體的能帶較寬 ( E = 312eV)， 對(duì)太陽(yáng)光的利用率較低 （僅為太陽(yáng)光的4%） ， 并且 TiO2 光生電子 空穴對(duì)的復(fù)合概率較高 ， 降低了其量子效率 ， 在降解污染物的過程中存在著光活性不高 ， 降解率低的問題 ， 從而 阻礙了其在可見光催化降解中的實(shí)際應(yīng)用。 研究的目的及意義 研究目的 環(huán)境保護(hù) 越來越成為 人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題，其中與人類生存最密切的問題是水的問題，水是一切生命之根源。早在 1972 年，聯(lián)合國(guó)就發(fā)出警告：水，將導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)危機(jī) [15]。隨著工業(yè)的高速發(fā)展和城市建設(shè)的加速，產(chǎn)生了大量的工業(yè)污水和城市污水，由于污水處理率低， 尤其是對(duì)含有毒有機(jī)污染物的廢水，采用常規(guī)、傳統(tǒng)的降解處理方法 無法 達(dá)到無毒無害的標(biāo)準(zhǔn) 。這樣的高濃度有機(jī) 污水直接排入水體，致 使大量的自然水域和城市地下水源被污染，導(dǎo)致水源水質(zhì)明顯惡化 ，不 僅 使水體的功能退化，降低了使用價(jià)值，而且加重了水的短缺。水資源的可持續(xù)利用是所有自然資源可持續(xù)開發(fā)利用的重要一環(huán)。探求有效的降解方法和技術(shù)是人們關(guān)注的問題。 研究意義 人們經(jīng)過長(zhǎng)期努力，已經(jīng)建立了許多凈化處理廢水的技術(shù)方法，并已廣泛應(yīng)用于實(shí)際的廢水處理工程中，這些技術(shù)方法通常可以分為物理法、化學(xué)法、物化法、生 化法等 。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，廢水成分的復(fù)雜性給 傳統(tǒng)的處理方法 提出了新的挑戰(zhàn)。 常用的技術(shù)方法各有自身的優(yōu)點(diǎn)， 但 同時(shí)也 暴露出很多無法逾越的經(jīng)濟(jì)，技術(shù)瓶頸 。 如有的技術(shù)方法對(duì)難降解污染物凈化不徹底、處 理速度慢 、處理效率低； 有的可能造成二次污染 ，對(duì)于水體的再凈化增加了困難； 有的設(shè)備投資大、處理費(fèi)用高等。隨著國(guó)家推進(jìn)削減主要污染物排放總量工作的開展以及逐步提高污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的技術(shù)方法難以滿足更高的要求，因此有必要探索更加經(jīng)濟(jì)有效、便于推廣應(yīng)用的新技術(shù)。光催化氧化技術(shù)是一種高級(jí)氧化技術(shù) ， 利用太陽(yáng)光引發(fā)光催化過程達(dá)到降解污染物的目的 ， 近年來在有機(jī)污染物處理的領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用 。本文 以二氧化鈦的摻雜為目的降解金橙Ⅱ?yàn)槟Ｐ?，研究最佳的摻雜量和制備條件。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)論文 7 2 實(shí)驗(yàn)部分 主要實(shí)驗(yàn)試劑及儀器 表 1 主要藥品一覽表 試劑名稱 純度 產(chǎn)地 硫酸鈦 化學(xué)純 中國(guó)醫(yī)藥（集團(tuán)）上?；瘜W(xué)試劑公司 硝酸鎳 分析純 天津市大茂化學(xué)試劑廠 氫氧化鈉 分析純 萊陽(yáng)市康德化工有限公司 碳酸鈉 分析純 天津市永大化學(xué)試劑開發(fā)中心 表 2 主要儀器及設(shè)備一覽表 儀器及設(shè)備名稱 型號(hào) 產(chǎn)地 紫外線燈 GZ500 上海亞明燈泡廠 臺(tái)式離心機(jī) TGL16C 上海安亭科學(xué)儀器廠 磁 力 加熱攪拌器 781 常州博遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)分析儀器廠 加熱器 DK 山東 鄄 城新華電熱儀器廠 可見光 分光光度計(jì) 722E 上海光譜儀器有 限公司 試驗(yàn)方法 試液配制 （ 1） 稱取 Ti（ SO4） 2 、 Ni(NO3) 、 NaOH 、 Na2CO3 。 將 Ti（ SO4） 2 和 Ni(NO3) 混合溶解在 50ml水， NaOH 和 Na2CO3 混合溶解在 30ml 水。將 NaOH 和 Na2CO3 混合溶液慢慢滴加在不斷攪拌的 Ti（ SO4） 2 和Ni(NO3) 混合溶液中。在常壓下回流 6 個(gè)小時(shí)，過濾取濾渣在 70℃ 的干燥箱干燥 12 小時(shí)。分別在 400℃、 500℃、 600℃、 700℃ 下煅燒。 （ 2） 稱取 Ti（ SO4） 2 、 Ni(NO3) 、 NaOH 、 Na2CO3 。將 Ti（ SO4） 2 和 Ni(NO3) 混