【正文】 感謝四年中陪伴在我身邊的同學(xué)、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娼ㄗh，有了他們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實(shí)的度過四年的學(xué)習(xí)生活。首先誠摯的感謝我的指導(dǎo)老師cp老師，他在忙碌的教學(xué)工作中擠出時間來指導(dǎo)我的實(shí)驗(yàn)和審查、修改我的論文。紫外光下的對比實(shí)驗(yàn)表明摻鐵二氧化鈦相比純二氧化鈦光催化降解羅丹明B溶液效果明顯提高，%。確定了FeTiO2光催化降解羅丹明B溶液的最佳反應(yīng)條件：反應(yīng)溶液pH=4；光催化時間為2h。通過單因數(shù)實(shí)驗(yàn)分別確定了最佳的反應(yīng)條件： 反應(yīng)溶液pH=4； 光催化時間為2h。 光催化時間單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果光催化時間/h12345TiO2脫色率/%Fe TiO2脫色率/%圖34 脫色率與光催化時間的關(guān)系 小結(jié)在紫外光條件下，反應(yīng)條件一致時，F(xiàn)eTiO2光催化劑降解羅丹明B溶液的效果都要優(yōu)于純TiO2。表31 羅丹明B溶液pH值單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果pH值24681012TiO2脫色率/%Fe TiO2脫色率/%圖33 脫色率與羅丹明B溶液pH值曲線 光催化時間影響用最佳條件下制備的純TiO2和FeTiO2光催化劑來處理羅丹明B溶液五份，每隔一小時取出一個樣，測其吸光度，計(jì)算脫色率。因此在堿性條件下也能獲得較高的脫色率，而中性條件下脫色率最差。在堿性溶液中TiO2表面帶負(fù)電荷OH，這有利于空穴向表面遷移，并與吸附到表面的H2O和OH等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成OH自由基的生成，提高了分解反應(yīng)的速率。因此應(yīng)選擇一個較適宜的pH范圍。pH值對光降解過程的影響非常復(fù)雜[17]，關(guān)鍵在于溶液的pH值直接影響了催化劑表面所帶電荷的性質(zhì)，影響了羅丹明B的存在形式以及羅丹明B在催化劑表面的吸附行為。在酸性條件下催化降解的效果最好，隨著pH值的升高，脫色率開始下降，pH值為8時脫色率最差。本實(shí)驗(yàn)通過滴加酸和堿的方法來改變羅丹明B溶液的pH值，同樣，用最佳條件下制備的催化劑來處理每組水樣，光催化時間為2h。計(jì)算公式如下[16]：P=(A0－At)／A0 100% () 式中：P—樣品的脫色率；A0—樣品光催化降解前吸光值；At—樣品光催化降解t時間段后的吸光值。圖32 羅丹明B吸光度與濃度曲線得到了羅丹明B吸光度與濃度關(guān)系曲線后，我們在可見光區(qū)最大吸收峰550nm下測定樣品在納米TiO2降解前后的吸光值。分別配制不同濃度的羅丹明B溶液，用分光光度計(jì)在550 nm處以蒸餾水為空白樣測定各溶液的吸光度，溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖32所示。羅丹明B經(jīng)純TiO2和FeTiO2光催化劑光催化降解后，取清液在550nm處測定吸光度，以此來表征羅丹明B的脫色效果。 分析方法 在不同波長下測量羅丹明B的吸光度結(jié)果如圖31所示。調(diào)整反應(yīng)皿與紫外燈之間的距離，一般為10 cm。由于氧空位帶正電荷，考慮到電荷平衡，多的氧空位含量相應(yīng)地減少了自由電子的含量；同時，表面氧空位含量的增加有利于氧在表面的吸附，提高了電子與表面吸附的氧化反應(yīng)，即增加了界面電子的遷移速率，從而提高了TiO2的光催化活性。另外，因此鐵離子能進(jìn)入TiO2晶格內(nèi)部，替代鈦離子。而一個深能級捕獲的電荷載流子可能在相同的粒子內(nèi)部產(chǎn)生下一個電子—空穴對前，重新與它的相對物合并（有隨后的光子產(chǎn)生)，成為電荷載流子的重新合并中心，從而不利于整個光催化反應(yīng)。在TiO2的光催化反應(yīng)中，較好的效應(yīng)是電子—空穴對的一個電荷載流子被暫時捕獲，而另一個則到達(dá)表面轉(zhuǎn)變?yōu)楸晃盏奈镔|(zhì)(氧化e，還原h(huán)+)，被暫時捕獲的電荷載流子在上述反應(yīng)完成后不久，再遷移到表面。圖31 鐵離子在TiO2中的能級圖TiO2的光催化反應(yīng)是表面反應(yīng)，其光催化效應(yīng)不僅與電子和空穴的捕獲，即電荷載流子的局部分離有關(guān)，還取決于被捕獲的電子或空穴在捕獲位的釋放和它們向表面的遷移，后者決定被捕獲的電荷是否能有效地遷移到TiO2表面參與光催化反應(yīng)。由圖31可知，F(xiàn)e3+/Fe4+的能級高于TiO2價帶，能產(chǎn)生空穴的捕獲劑；Fe2+/Fe3+的能級位于TiO2導(dǎo)帶之上，摻雜鐵離子有可能成為光生電子的捕獲劑。摻雜Fe3+離子以后，摻雜Fe3+與TiO2中光生電子和空穴的反應(yīng)方程式為:Fe3+ + ecb → Fe2+ 電子捕獲 ()Fe3+ + hvb+ → Fe4+ 空穴捕獲 ()式中，只有Fe2+/Fe3+的能級低于TiO2的導(dǎo)帶(CB，Conduct Band)能級，F(xiàn)e3+/Fe4+的能級高于TiO2價帶(VB，Valence Band)能級時，反應(yīng)才可能發(fā)生。通過正交實(shí)驗(yàn)確定制備純TiO2各藥品的摩爾比，在此基礎(chǔ)上確定了制備FeTiO2前驅(qū)體的比例，通過正交和單因素實(shí)驗(yàn)，確定FeTiO2光催化劑的制備條件：前驅(qū)體配比（摩爾比）為n=Ti(OC4H9)4: C2H5OH: HNO3: H2O=1:15::1，摻鐵量W (Fe3+/TiO2)= % ；鍛燒溫度為450 ℃ ； 鍛燒時間為2h。 小結(jié)采用溶膠—凝膠法制備純TiO2和FeTiO2光催化劑時，影響因素很多。但是摻雜量存在一個最佳值[14]，小于最佳濃度時，二氧化鈦中沒有足夠的俘獲載流子的陷阱；當(dāng)大于最佳濃度時，隨著摻雜量的增加，陷阱之間的平均距離降低，所以光催化活性就會降低。之后脫色率反而隨著摻雜百分比的提高而開始降低。在相同光催化條件下進(jìn)行光催化處理羅丹明B實(shí)驗(yàn)，算出脫色率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖26。固定前驅(qū)體配比、鍛燒溫度、鍛燒時間、光催化時間分別為n=1:15::1，450℃ ，2h，2h。由緒論的理論知識可知鍛燒時間過長會引起催化劑晶粒長大，使其活性表面下降，光催化能力下降。圖25脫色率與不同鍛燒時間樣品關(guān)系曲線由圖25可看出，脫色率隨著鍛燒時間的延長而增大，%。改變鍛燒時間， h。 鍛燒時間的影響。還有一種可能原因就是隨著溫度的升高，樣品有被燒結(jié)團(tuán)聚的情況，這對脫色反應(yīng)也是有不利影響的。圖24 脫色率與不同鍛燒溫度樣品關(guān)系曲線，相同條件下鍛燒溫度為400℃的樣品處理羅丹明B的脫色率最低，450℃~ 500℃的脫色率都較高，之后隨著鍛燒溫度的升高，樣品處理羅丹明B的脫色率隨之逐減。改變鍛燒溫度，分別為，400 ℃、450 ℃、500 ℃、550℃、600℃。 鍛燒溫度的影響催化劑的鍛燒是催化劑晶粒形成和生長的過程，它是催化劑制備的關(guān)鍵過程之一，其中鍛燒溫度對催化劑的活性影響很大。按照這樣的組合在相同條件下，再進(jìn)行一次同樣的光催化實(shí)驗(yàn)，%，符合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這幾個影響因素中，影響相對較小的是Fe3+的摻雜量，但該因素也是至關(guān)重要的，這點(diǎn)將在下面的單因素實(shí)驗(yàn)中加以說明?？梢娗膀?qū)體配比的重要性，它是制備FeTiO2光催化劑的前提。選用L9(34)正交表，正交表頭設(shè)計(jì)如表25。 正交實(shí)驗(yàn)確定制備FeTiO2最佳條件本實(shí)驗(yàn)在已確定制備TiO2最佳配比為前驅(qū)體的基礎(chǔ)上，通過控制摻雜Fe3+的量、鍛燒溫度、鍛燒時間來確定最佳制備條件。將所得最佳配比條件下制備的TiO2在同樣條件下進(jìn)行羅丹明B降解實(shí)驗(yàn)，%，符合正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為排除干擾因素，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和前人研究[1112]將鍛燒溫度、鍛燒時間、光催化時間、羅丹明B濃度分別定為450 ℃，2 h，2 h，5 mg/L，選用L9(34)正交表，正交表頭設(shè)計(jì)如表23，按照表23進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，測得每組處理后羅丹明B的吸光度通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為脫色率，結(jié)果及分析如表24表24 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析編號Ti(OC4H9)4/mlC2H5OH/mlHNO3/mlH2O/ml脫色率/%123456789171717171717171717K1K2K3k1k2k3R圖22 脫色率與樣品關(guān)系曲線由表24可看出，四個因素對制備所得光催化劑脫色效果的影響主次順序依次是Ti(OC4H9)4 HNO3 H2O C2H5OH，由于鈦酸丁酯的量相同，所以在鈦酸丁酯量固定時，硝酸用量影響最大，其次是水的用量，影響最小的是乙醇用量。圖21 TiO2和FeTiO2的制備流程圖 正交實(shí)驗(yàn)確定制備TiO2各藥品配比本實(shí)驗(yàn)以制備所得TiO2對羅丹明B的脫色率為依據(jù)評價制備成果，此處實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榈贸龈髟噭┳罴雅浔?。然后將干燥后的固體放入馬弗爐中