纳米材料在环境检测和水脱氮处理中的应用

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本文采用光催化还原法制备了单金属Fe、Cu掺杂、双金属Fe-Cu、Zn-Cu、Ag-Cu共沉积掺杂的TiO2光催化剂,应用TEM等仪器表征手段对所制备的光催化剂进行了表征。重点考察了影响Cu/TiO2光催化还原硝酸氮的主要因素。并对共沉积两种金属的比例对光催化活性的影响进行了考察。此外,本文采用恒电位法制备纳米聚苯胺膜,研究了其测定硝酸氮的可能性。论文主要研究工作的结论如下:(1)对所制备的单金属掺杂、双金属共沉积催化剂进行TEM、ICP、XRD及UV-Vis分析。结果表明,金属高度分散于TiO2表面,粒径为2nm~5nm,EDX对1:1Fe-Cu/TiO2的分析表明二氧化钛表面有Fe的存在。通过对1.5%Cu/TiO2进行ICP检测也表明金属确实负载在二氧化钛表面。(2)考察pH值、搅拌气体、金属种类及金属负载量、空穴清除剂等因素对单金属沉积TiO2光催化还原硝酸氮的影响。pH值影响TiO2表面电荷性质,进而影响催化剂表面吸附物种及后续反应。CO2作为搅拌气体,可去除反应中溶解氧、调节反应过程中pH的变化,还有可能形成还原性的CO2·-,促进硝酸氮光催化还原反应的进行。金属晶核-TiO2体系相当于一个超微闭路光电化学电池,金属适量沉积可促进光生电子和空穴的分离,提高光催化效率。利用硼氢化钠还原处理光催化沉积的催化剂,进一步提高了光催化活性。加入甲酸除了可以消耗自由基等氧化物种、分离光生电子和空穴,促进硝酸氮、亚硝酸氮向氮气的转化,提高氮气选择性。当0.5%Cu/TiO2作催化剂,CO2作搅拌气体,0.06mol/L甲酸作空穴清除剂时,氮气选择性可达88.4%。(3)对不同比例双金属共沉积光催化剂的活性进行了考察,发现Fe、Zn的掺入并没有增强Cu/TiO2的光催化活性。而Ag的加入却大大改善了其光催化活性。使用1:1Ag-Cu/TiO2作光催化剂,在CO2搅拌,加入0.06mol/L甲酸的条件下,其可使硝酸氮转化率、总氮去除率分别达到48.1%、34.2%。(4)采用聚苯胺膜测定硝酸氮时,制备聚苯胺的最佳电解电位为0.8V,使用循环伏安法确定了硝酸氮的测量电位范围为0V~1.7V,在pH=3.58处,出现了与硝酸氮浓度有关的还原峰,当硝酸氮的浓度在20mg/L~100mg/L的范围内时,电流的响应值对数与所测浓度存在线性关系。
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