可见光响应型改性纳米TiO2的制备、表征及催化性能研究

来源 :华南农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sddmymj
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我国果蔬种植广阔,产量巨大。但是由于贮运保鲜技术的落后,每年都有大量的果蔬腐烂变质,造成巨大的浪费。采后果蔬腐烂变质的原因主要有:(1)果蔬采摘后由于呼吸作用产生具有催熟作用的乙烯,加速果蔬衰老变质;(2)微生物的侵染。而一些传统的贮藏保鲜技术(如低温冷藏、气调、辐照、化学杀菌、臭氧保鲜和保鲜膜包装等)在实际应用过程中都有一些缺陷或负面效应,导致我国果蔬贮藏保鲜技术发展较慢。  纳米TiO2光催化技术是近年来发展迅速的一门新兴科学。纳米TiO2具有光催化降解有机物和杀菌消毒的作用,这为其在果蔬贮藏保鲜领域中的应用提供了潜在的应用前景。然而,纳米TiO2只有在紫外光照射下才具有较强的光催化活性,使其应用受到限制。对纳米进行TiO2改性,使其在可见光下具有光催化响应活性,是解决这一问题的有效途径,这也是目前国内外研究者关注的热点。  本论文以商业纳米TiO2(P25)为Ti源,分别采用非金属元素N和金属元素Mo进行掺杂改性,以亚甲基蓝为对象考察改性后的P25在可见光下的光催化效果;通过浸渍,提拉法制备出表面负载改性P25的淀粉复合膜,研究复合膜可见光催化分解乙烯的性能。采用多种现代分析手段对改性P25粉体及复合膜进行了表征。具体研究结果如下:  (1)以尿素为N源,采用研磨.煅烧法制得N掺杂改性P25(N-P25)光催化材料。通过单因素实验研究表明:随着煅烧温度的升高、煅烧时间的延长和掺杂量的增加,N-P25在可见光下对亚甲基蓝的降解均呈先上升后下降的趋势变化,其中以煅烧温度和掺杂量对亚甲基蓝的降解效果较明显。  (2)对可见光下影响N-P25降解亚甲基蓝的三个因素煅烧温度、煅烧时间和掺杂量进行二次旋转回归设计,并做方差分析,所得出回归模型方程P值<0.01,方程显著。试验所得二次旋转回归方程模型为:  Y=-260.75775+1.06738A+44.55925B+2.87483C+0.016625AB+9.75×10-5AC+5.000×10-4BC-1.3072×10-3A2-12.4245B2-0.040495C2。  (3)通过响应面优化得出煅烧温度为423℃,煅烧时间为2.6h,掺杂量为31%(与P25的质量比)时,N-P25在可见光下的光催化活性最好,对亚甲基蓝的降解率达到62.21%。  (4)以铝酸铵为Mo源采用溶解.煅烧法制得Mo掺杂改性P25(Mo-P25)光催化材料。单因素实验研究表明:改性Mo-P25在可见光下对亚甲基蓝降解率均随着煅烧温度的升高、煅烧时间的延长和Mo掺杂量的增加呈先上升后下降的规律变化。  (5)对影响Mo-P25降解亚甲基蓝的三个因素煅烧温度、煅烧时间和掺杂量进行二次旋转回归设计,并做方差分析,所得出回归模型方程P值<0.01,方程显著。试验所得二次旋转回归方程模型为:  Y=-215.61675+0.57491A+361.60625B+19.57800C-0.20771AB+9.000 X104AC-7.63889BC-4.71425×10-4A2-150.22569B2-2.80175C2(6)通过响应面优化得出煅烧温度为425℃,煅烧时间为2.4h,掺杂量为0.85%(与Ti的原子个数比)时,Mo-P25可见光下催化活性最好,对亚甲基蓝的降解率达到80.93%。  (6)运用浸渍-提拉法负载两次的N-P25/淀粉膜和Mo-P25/淀粉膜对乙烯的降解效果最好,乙烯分解率分别为7.0%和9.8%。扫描电镜(SEM)检测发现:吸附两次的N-P25/淀粉膜和Mo-P25/淀粉膜表面纳米颗粒团聚较少,颗粒分布相对均匀,且颗粒之间有细微间隙。  (7)N-P25与Mo-P25光催化剂在可见光下的吸收比纯P25均有增加,XRD检测N-P25与Mo-P25光催化剂与P25相比未发现有新的晶型生成;XPS检测发现N-P25中N1元素的百分比为0.39%,Mo-P25中Mo3d元素的百分比为0.8%;实验结果结果表明:N是通过填隙掺杂的方式进入P25之中,对P25进改性,增加其可见光下的活性;Mo主要是Mo6+导致了P25晶格缺陷,抑制了电子-空穴的复合,增加其可见光下的活性。  本研究的创新之处主要体现在以下二点:  1、以商业P25为Ti源,通过N、Mo元素掺杂制备出具有可见光响应活性的改性P25光催化材料。  2、以玉米淀粉膜为载体,通过表面吸附负载的方式制备出改性P25/淀粉膜复合膜,并探讨了复合膜可见光催化分解乙烯的性能,为具有可见光响应活性的新型果蔬保鲜包装材料的研究开发提供了新思路。
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