均苯三甲酰氯三聚氰胺聚合物改性TiO2的制备及光催化降解气相苯性能研究

来源 :齐鲁工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangzhuo2009ny
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光催化降解VOCs作为最常见的VOCs处理技术,在光催化降解净化VOCs的众多催化剂中,Ti O2以其成本效益高、原材料无毒性、稳定的光照激发性和催化反应高效性的优点被人们普遍认为是最常用光催化材料,在VOCs光催化降解中得到了广泛的关注。然而,Ti O2作为光催化剂时,因其电子-空穴对的分离效率低、禁带宽度大等缺点,导致了Ti O2对于光照要求高,可见光下不易被激活,催化降解效率低,限制了Ti O2在VOCs净化与治理方面的广泛应用。因此,通过研究Ti O2的理化属性及光电性质对Ti O2进行定向改性,在拓宽Ti O2的吸收波长范围,实现改性Ti O2对可见光吸收,同时提高Ti O2中电子-空穴的分离与转移的效率,制备出一种具有可见光吸收活性的高性能光催化剂并将其应用到VOCs净化处理中显得尤为重要。本文利用钛酸四丁酯为前体物质,通过以均苯三甲酰氯与三聚氰胺缩聚制备的均苯三甲酰氯-三聚氰胺共聚物(TMP)的条件下,通过两种合成方法合成了锐钛矿型共轭聚合物改性二氧化钛纳米复合材料:以钛酸四丁酯为前驱体使用水热法制备TMP-Ti O2纳米复合材料,记为TMP-Ti O2(a);以Ti O2为基体制备TMP-Ti O2纳米复合材料,记为TMP-Ti O2(b)。利用共轭聚合物改性Ti O2纳米复合材料实现了可见光条件下高效降解气相苯污染物。本论文研究了原位水热法和以Ti O2为基体制备均苯三甲酰氯-三聚氰胺共聚物(TMP)改性Ti O2纳米复合材料的最佳制备条件,并分析其形貌特征、元素及化学键组成、光响应特性、晶体结构、吸附性能,考察其在可见光及紫外光条件下对于气相苯污染物质的催化降解效率,研究其在可见光及紫外光辐照条件下对气相苯的光催化降解性能,具体研究内容如下:原位水热法合成TMP-Ti O2纳米复合材料:通过设计正交实验,探究了合成过程中水解反应温度、聚合物与钛酸四丁酯的摩尔质量比例、水热反应温度、水热反应时间,四个控制因素对合成TMP-Ti O2(a)纳米复合材料的光催化降解性能的影响。结果表明,当水解反应温度为80℃,TMP:Ti O2前驱体比例为1:1,在180℃水热反应条件下反应8 h时,TMP-Ti O2(a)纳米复合材料获得了的可见光下气相苯的180 min去除效率100%。以Ti O2为基体制备TMP-Ti O2纳米复合材料:通过设计正交实验,探究了制备过程中聚合物与二氧化钛比例、水热反应温度、水热反应时间因素对合成TMP-Ti O2(b)光催化活性的影响。当TMP:Ti O2比例为2:1,水热反应温度为160℃,水热反应为8 h,TMP-Ti O2(b)纳米复合材料获得了的可见光下气相苯的180 min最大去除效率91%。TMP改性Ti O2纳米复合材料的表征:考察了TMP改性Ti O2纳米复合材料的形貌特征、晶体结构、元素及化学键组成和光响应性。结果表明,通过扫描电镜、投射电镜及BET表征分析,两种合成方法制备的TMP改性Ti O2纳米复合材料均呈现出高比表面积、表面粗糙和多孔的结构特性,TMP-Ti O2(a)的平均粒径尺寸约为7 nm,TMP-Ti O2(b)的平均粒径尺寸约为8 nm;XRD、XPS与FT-IR结果显示,两种Ti O2纳米复合材料均以锐钛矿为主,具有丰富的Ti-O-N和Ti-O-C键和π电子共轭体系;UV-Vis和SPS结果表明,两种方法制备的TMP-Ti O2纳米复合改性材料均具有较为优异的可见光吸收响应性。TMP改性Ti O2纳米复合材料的性能研究:考察了在温度保持在25±5℃,相对湿度保持在32±5%,气相苯的初始浓度为230 mg·m-3时,TMP改性Ti O2纳米复合材料在可见光和紫外光条件下对气相苯污染物质的光催化去除效率。结果表明,在380-800 nm波长范围的光照辐射条件下,TMP-Ti O2(a)在180 min对气相苯达到了100%的降解效率,TMP-Ti O2(b)在180 min对气相苯降解效率为91%。在365 nm波长的光照辐射条件下,TMP-Ti O2(a)在100 min对气相苯降解效率达到100%,TMP-Ti O2(b)在120 min对气相苯降解效率达到100%,两种纳米复合材料均表现出优异的循环利用效率。与未改性Ti O2和商业品P25相比,TMP改性Ti O2纳米复合材料表现出优异的可见光(400-800 nm)催化降解性能,在紫外光(365 nm)波长辐射条件下在提高催化降解效率方面有很大优势。
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