磁性TiO2纳米复合材料的制备及其光催化性能研究

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TiO2是一种高效、无毒、无二次污染的光催化材料。目前,其研究重点主要集中在TiO2光催化材料的改性和负载两个方面。本论文在传统TiO2光催化材料研究基础上,以Fe3O4为磁性核心,以SiO2为中间层,外层包覆TiO2,制备出三层包覆结构的磁性TiO2/SiO2/Fe3O4复合材料,通过SiO2及TiO2的半导体复合及Fe3O4磁性核心的构筑,既实现了TiO2在可见光范围的响应,提高其在可见光下的催化活性,又可以实现催化剂在外加磁场作用下的回收和再利用。所制备的磁性TiO2/SiO2/Fe3O4复合材料采用多种表征手段对其结构及物理化学性能进行分析,重点考察了不同制备方法和制备工艺对复合材料形貌、晶体结构等结果的影响。同时,以苯酚配水在模拟太阳光下的降解反应为模型反应,研究了磁性TiO2/SiO2/Fe3O4复合材料的光催化性能并优化了反应工艺条件。   首先,用沉淀法和溶剂热法制备Fe3O4磁性纳米微球,并通过对反应温度、反应压力、晶化时间等不同制备条件的优化,制备出晶型完整、尺寸均一的磁性纳米核心,平均粒径尺寸约为50nm。其次,通过st(o)ber法在Fe3O4磁性纳米核心表面制备了SiO2中间层。通过XRD、SEM和FT-IR表征手段表征了Fe3O4不同超声时间和静置时间对SiO2/Fe3O4晶型、形貌和结构的影响。结果表明,SiO2/Fe3O4中的SiO2中间层均以不定型的SiO2存在,其厚度约为10-20nm,Fe3O4与SiO2之间具有一定的桥联结构。   最后,分别采用酯类沉淀法、醇解法和溶胶凝胶法三种不同制备方法完成磁性TiO2/SiO2/Fe3O4纳米复合材料中TiO2的包覆。通过SEM和TEM表征结果说明所制备的复合材料均可以将粒径尺寸控制在100-150nm范围内;XRD特征谱图表明,酯类沉淀法制备的磁性TiO2/SiO2/Fe3O4纳米复合材料中TiO2光催化材料具有很高的锐钛矿相到金红石相的相转变温度,相转变温度可以提高到800℃以上;而醇解法制备的复合材料中TiO2在较低焙烧温度下下便以锐钛矿相存在,而锐钛矿向金红石的相转变温度也可以提高到700℃以上。TiO2/SiO2/Fe3O4磁性纳米复合材料具有较好的超顺磁性,其饱和磁化强度达到0.0150emu/g以上,可以实现在外加磁场下的磁性回收。样品通过Uv-vis表征表明了复合材料具有较好的可见光光响应性能,可以有效的将光响应范围拓展至700-750nm,禁带宽度降低至1.45eV,这有利于提高对可见光的利用效率。   以苯酚为模型污染物,评价磁性TiO2/SiO2/Fe3O4纳米复合材料光催化性能。通过对不同TiO2/SiO2/Fe3O4纳米复合材料制备工艺和催化反应工艺的研究,考察了不同制备方法、焙烧温度、TiO2含量、Fe3O4含量等不同制备工艺条件及反应pH值、反应时间、催化剂投加量及催化剂使用次数等催化反应工艺条件对苯酚降解效率的影响,通过对制备工艺和反应工艺条件的优化,所制备的TiO2/SiO2/Fe3O4纳米复合材料在模拟太阳光下,苯酚初始浓度为10mg/L条件下,反应2h,对苯酚的降解率可达85%,COD去除率达68%。
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