在诸多半导体光催化材料中,由于TiO₂具有化学稳定性好、光催化效率高,成本低、无毒等优点。天然非金属矿物是理想的TiO₂载体,采用特定技术可以使TiO₂固定在矿物表面,形成纳米晶体膜。矿物基纳米TiO₂光催化材料具有光催化性能稳定持久、可反复利用等优异特性,在环境工程、绿色生态建材领域显示广阔的应用前景。 本文以高岭石为载体,用溶胶-凝胶法制备高岭石基纳米TiO₂光催化材料。重点研究了金属离子掺杂和金属氧化物直接热合掺杂两种方式修饰改性高岭石基纳米TiO₂。用于掺杂改性的金属离子有:Fe³⁺、Sn⁴⁺、Zn²⁺;用于直接热合的金属氧化物有:Fe₂O₃、ZnO、V₂O₅。 对高岭石基纳米TiO₂光催化剂进行表征,分析高岭石表面、界面特性。分别用XRD、Raman、IR、TEM、AFM、XPS等手段进行表征。TiO₂的平均粒径为1-10nm。从选区电子衍射图片和AFM图象看出TiO₂结晶完整、有序度高。高岭石表面大面积覆盖着单层纳米TiO₂晶体膜。同时也检测出金属离子和氧化物在TiO₂薄膜中存在的状态,从而揭示界面的某些特性及反应的可能机理。 为评价高岭石基纳米TiO₂光催化剂的光催化活性,以含偶氮染料的云母珠光颜料工业废水为研究对象,研究表明,两种掺杂方式均可提高TiO₂的光催化活性,并使得TiO₂的光谱响应范围向可见光区拓展。 研究表明:高岭石基纳米TiO₂光催化材料的制备条件为反应温度50℃,反应时间3h,干燥温度70℃,焙烧温度600℃。 紫外光下,当掺杂1.0%Fe³⁺时,偶氮染料的降解脱色率为97.6%;掺杂1.5%Sn⁴⁺降解脱色率为97.2%;研究认为掺杂Zn²⁺的高岭石基纳米TiO₂光催化剂,不能提高光催化活性。自然光下,Fe³⁺掺杂TiO₂使废水的降解效果提高了29.10%;Sn⁴⁺掺杂使TiO₂的降解效果提高了34.04%。Fe³⁺、Sn⁴⁺的掺杂使TiO₂的光谱响应范围向可见光区拓展,有利于增强催化剂对可见光的吸收。 Fe₂O₃直接热合掺杂有效地提高了光催化剂的催化活性并拓展了TiO₂的光谱响应范围。紫外光下,0.5%Fe₂O₃直接热合掺杂的高岭石基纳米TiO₂光催化剂对废水的脱色率为98.8%;太阳光下,0.5%Fe₂O₃直接热合掺杂时,废水脱色率提高了38.9%。ZnO直接热合掺杂时,随着掺杂ZnO添加量变化,废水的脱色率变化呈不稳定不规则性,但是总体上光催化活性均有所提高。研究还认为V₂O₅的直接热合掺杂不能提高材料的光催化活性。 本文还研究了高岭石基纳米TiO₂光催化材料的重复利用性。实验表明:该催化材料可重复使用且易于回收。