钛合金表面TiO2膜层的光催化性能研究
钛合金表面TiO2膜层的光催化性能研究[20200413194111]
摘要
本文首先对光触媒的定义、研究重点、研究状况进行了介绍；并主要介绍了本次研究制备光触媒所采用的微弧氧化技术。
以工业纯钛为基体，分别在碱性的硅酸钠、磷酸钠、铝酸钠和钨酸钠溶液中制备TiO2膜层，并对该膜层进行厚度表征以及XRD、SEM膜层结构的表征。
用甲基橙作为实验所需要的模拟污染物，在碱性铝酸钠电解液中制备钛基TiO2膜。以所制备的膜层对降解甲基橙的效率做表征，侧重研究优化其制备膜层的电源工艺参数。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:工业纯钛光触媒微弧氧化铝酸钠甲基橙
目录
1． 绪论 1
1.1 光触媒的发展历程 1
1.1.1光触媒TiO2基本知识 1
1.1.2光触媒的发展历史和现状 1
1.2 TiO2的晶体结构和其光催化的原理 2
1.3 TiO2光催化剂的改性 4
1.3.1贵金属负载 4
1.3.2 离子掺杂 5
1.4微弧氧化技术 5
1.4.1微弧氧化技术原理 5
1.4.2微弧氧化技术的主要工艺特点 6
1.5本文研究主要内容 7
2. 光触媒的制备及表征 8
2.1实验仪器和药品 8
2.1.1实验药品 8
2.1.2实验仪器 9
2.2微弧氧化膜的制备 9
2.2.1微弧氧化装置介绍 9
2.2.2微弧氧化膜层的制备工艺流程 10
2.2.3微弧氧化电源参数 10
2.3膜层结构的物理化学性能表征 11
2.4膜层光催化活性评价 11
2.5正交设计 13
3 . 微弧氧化膜的光催化性能研究 14
3.1膜层的制备 14
3.1.1处理液的配置 14
3.1.2处理液的参数与MAO电参数 14
3.1.3电解液中膜层的生长特性 15
3.2恒流恒压模式制备膜层的性能表征 16
3.2.1厚度表征 16
3.2.3 XRD分析图谱 16
3.2.3 SEM分析 17
3.2.4降解率表征 17
3.3电参数的优化 19
3.3.1正向偏压及对甲基橙的降解率 19
3.3.2负向偏压及对甲基橙的降解率 20
3.3.3微弧氧化TiO2膜层厚度表征 21
3.4正负向电源参数的影响 22
3.4.1正压的影响 22
3.4.2负压的影响 22
3.4.3频率的影响 23
3.4.4占空比的影响 23
3.4.5处理时间的影响 24
实验结论： 25
文献 26
致谢 28
1． 绪论
近年来由于化学工业的迅猛发展，人类的居住环境和健康遭到各式各样的污染侵蚀，已经威胁到人类的生存安全。环境荷尔蒙作为对环境的头号杀手和对人类健康有着极为恶劣后果的室内污染综合症同时并列榜首。由于环境遭受污染在世界各地随处可见，水质安全、大气污染、土壤板结等污染处理起来尤为困难。而光触媒在一般情况下能将环境污染物在极低浓度清除净化，且所需要的条件只是太阳光的光照。且不需要消耗任何化学药剂和地球能源，因此光触媒技术已经成为目前对环境净化技术中的研究重点。
1.1 光触媒的发展历程
1.1.1光触媒TiO2基本知识
光触媒[Photocatalyst]是光[Photo=Light]+催化剂[catalyst]合成词，是一类具有光催化的功能同时以纳米级TiO2 为代表的光半导体材料的总称，它所具有的光催化功能是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物的方法[1]。光触媒本身在太阳光的直接照射下并不发生变化，但它会发生类似植物“光合作用”的光催化反应，吸收空气大量中存在的CO2，利用光能将CO2经过多次化学转化，最终生成氧气和水。同时主要是其中二氧化钛所具有的强氧化能力，能够借助光照将有机物周围的O2 及H2O激发成OH- 及O2- 具有强氧化能力的自由基负离子，并最终将有机污染物降解成二氧化碳和水[2]。
光触媒对污染物的光催化作用主要是通过其中的纳米TiO2粒子实现的，而二氧化钛光催化活性的影响因素主要包括两个方面：结构因素和外部条件。其中，结构因素是对光触媒最关键的影响，它主要包括催化剂的晶相结构、粒径、膜层厚度和表面酸度等几个方面；外部条件指的是二氧化钛周围的环境，分别有污染物初始浓度、污染物溶液pH值、制备的电源参数、膜层的磨损状况、溶液中的无机阴离子、催化剂等[3]。
1.1.2光触媒的发展历史和现状
1968年前后，日报东京大学研究生藤岛昭和和他的导师一一现在任的东京公益大学名誉校长本多建一在试验中偶然发现了光触媒，随后这一成果被称为“本多·藤岛效应”而闻名于世。20世纪70年代初期，Hond_Fujishima Effect对光触媒进行了深入探索，自此开始人们对这一过程做了细致的研究[4]。而在此之后进行大量的实验结果均表明，该技术在废水净化和空气净化领域中具有极为明显的效果，同时在有机物降解方面具有更为广阔的应用前景。1980前后，降解有害化学物以及对净化环境等方面的研究工作在光触媒领域被科学家们积极探索；在20世纪90年代初，商品市场出现粉末态的光触媒，而此时的粉末型光触媒还没有达到科学家们所预期的环保的效果；同时也是在这个时期，光触媒经过照光的处理后会有超亲水性被ToTo公司发现后，才使得科学家们在光触媒领域内取得了突破性的进展；自1995年起学术界也特别针对[TiO2 Photo-catalytic Purification and Treatment of Water and Air] 课题，每年举办国际性研讨会，将世界各国的发展动态做一整台发表；20世纪90年代末，“水溶液表面薄膜光触媒”由日本的某技术中心研发得到，同时该中心申请取得了这个项目的专利权；20世纪初，光触媒产品已经开始在全世界范围被广泛的认可，在发达国家中业已成为环保的代名词[5-8]。
目前光触媒的应用在世界各国已经朝多元化方向发展，环保领域、生活领域、医疗领域、能源领域对光触媒的应用随处可见[2]。2003年非典的肆虐给人们敲响了警钟，使人们逐步认识到空气质量的重要性。在非典掀起的同时，房地产热又随机产生，装修热不甘其后也是迅猛发展，国人的天性都是对自己的房屋追求精美和豪华，却忽视其中的有害物质，而光触媒能够无消耗的除去有害物质，借这两次事件首次进入了国人的视线。 2004年后，光触媒开始在国内有了很大的发展。直到2011年4月，随着在北京召开对中国环境的各类会议的举行，让国家也已经认识到社会环境对人类生存的重要性，对中国来说，环境的治理问题已成为重中之重[9]。在此之后，日渐严重的空气污染报告已经得到中央领导的高度重视，并督促政府及有关部门关注环境污染和改善空气质量，以此作为介入媒点，光触媒产品得到国人的接受和重视。
1.2 TiO2的晶体结构和其光催化的原理
二氧化钛化学式为TiO2，俗称钛白粉，分子量79.9，熔点1830～1850℃，沸点2500～3000℃，是一种白色无机颜料，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度等特性。二氧化钛在自然界中存在三种结构：分别为四方晶系的金红石、四方晶系的锐钛矿、正交晶系的板钛矿，如图1-1[10]所示。TiO2在性能应用方面不同的主要原因是结构的不同，在大量的研究报道中通常认为，锐钛矿型TiO2的光催化活性优于金红石型[11]。
图1-1 TiO2晶型结构图[10]
Fig.1-1 Crystal Structure of TiO2
通常在解释TiO2 的光催化原理时，采用半导体能带理论做叙述，其原理如图1-2所示。TiO2的能带由一个充满电子的低能价带和空的高能导带组成，价带和导带之间存在一个禁带，其宽度为3.2eV；在波长小于388 nm的光照射下，TiO2被激发产生光生电子一空穴对，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其他形式散发掉[2]。
摘要
本文首先对光触媒的定义、研究重点、研究状况进行了介绍；并主要介绍了本次研究制备光触媒所采用的微弧氧化技术。
以工业纯钛为基体，分别在碱性的硅酸钠、磷酸钠、铝酸钠和钨酸钠溶液中制备TiO2膜层，并对该膜层进行厚度表征以及XRD、SEM膜层结构的表征。
用甲基橙作为实验所需要的模拟污染物，在碱性铝酸钠电解液中制备钛基TiO2膜。以所制备的膜层对降解甲基橙的效率做表征，侧重研究优化其制备膜层的电源工艺参数。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:工业纯钛光触媒微弧氧化铝酸钠甲基橙
目录
1． 绪论 1
1.1 光触媒的发展历程 1
1.1.1光触媒TiO2基本知识 1
1.1.2光触媒的发展历史和现状 1
1.2 TiO2的晶体结构和其光催化的原理 2
1.3 TiO2光催化剂的改性 4
1.3.1贵金属负载 4
1.3.2 离子掺杂 5
1.4微弧氧化技术 5
1.4.1微弧氧化技术原理 5
1.4.2微弧氧化技术的主要工艺特点 6
1.5本文研究主要内容 7
2. 光触媒的制备及表征 8
2.1实验仪器和药品 8
2.1.1实验药品 8
2.1.2实验仪器 9
2.2微弧氧化膜的制备 9
2.2.1微弧氧化装置介绍 9
2.2.2微弧氧化膜层的制备工艺流程 10
2.2.3微弧氧化电源参数 10
2.3膜层结构的物理化学性能表征 11
2.4膜层光催化活性评价 11
2.5正交设计 13
3 . 微弧氧化膜的光催化性能研究 14
3.1膜层的制备 14
3.1.1处理液的配置 14
3.1.2处理液的参数与MAO电参数 14
3.1.3电解液中膜层的生长特性 15
3.2恒流恒压模式制备膜层的性能表征 16
3.2.1厚度表征 16
3.2.3 XRD分析图谱 16
3.2.3 SEM分析 17
3.2.4降解率表征 17
3.3电参数的优化 19
3.3.1正向偏压及对甲基橙的降解率 19
3.3.2负向偏压及对甲基橙的降解率 20
3.3.3微弧氧化TiO2膜层厚度表征 21
3.4正负向电源参数的影响 22
3.4.1正压的影响 22
3.4.2负压的影响 22
3.4.3频率的影响 23
3.4.4占空比的影响 23
3.4.5处理时间的影响 24
实验结论： 25
文献 26
致谢 28
1． 绪论
近年来由于化学工业的迅猛发展，人类的居住环境和健康遭到各式各样的污染侵蚀，已经威胁到人类的生存安全。环境荷尔蒙作为对环境的头号杀手和对人类健康有着极为恶劣后果的室内污染综合症同时并列榜首。由于环境遭受污染在世界各地随处可见，水质安全、大气污染、土壤板结等污染处理起来尤为困难。而光触媒在一般情况下能将环境污染物在极低浓度清除净化，且所需要的条件只是太阳光的光照。且不需要消耗任何化学药剂和地球能源，因此光触媒技术已经成为目前对环境净化技术中的研究重点。
1.1 光触媒的发展历程
1.1.1光触媒TiO2基本知识
光触媒[Photocatalyst]是光[Photo=Light]+催化剂[catalyst]合成词，是一类具有光催化的功能同时以纳米级TiO2 为代表的光半导体材料的总称，它所具有的光催化功能是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力而净化污染物的方法[1]。光触媒本身在太阳光的直接照射下并不发生变化，但它会发生类似植物“光合作用”的光催化反应，吸收空气大量中存在的CO2，利用光能将CO2经过多次化学转化，最终生成氧气和水。同时主要是其中二氧化钛所具有的强氧化能力，能够借助光照将有机物周围的O2 及H2O激发成OH- 及O2- 具有强氧化能力的自由基负离子，并最终将有机污染物降解成二氧化碳和水[2]。
光触媒对污染物的光催化作用主要是通过其中的纳米TiO2粒子实现的，而二氧化钛光催化活性的影响因素主要包括两个方面：结构因素和外部条件。其中，结构因素是对光触媒最关键的影响，它主要包括催化剂的晶相结构、粒径、膜层厚度和表面酸度等几个方面；外部条件指的是二氧化钛周围的环境，分别有污染物初始浓度、污染物溶液pH值、制备的电源参数、膜层的磨损状况、溶液中的无机阴离子、催化剂等[3]。
1.1.2光触媒的发展历史和现状
1968年前后，日报东京大学研究生藤岛昭和和他的导师一一现在任的东京公益大学名誉校长本多建一在试验中偶然发现了光触媒，随后这一成果被称为“本多·藤岛效应”而闻名于世。20世纪70年代初期，Hond_Fujishima Effect对光触媒进行了深入探索，自此开始人们对这一过程做了细致的研究[4]。而在此之后进行大量的实验结果均表明，该技术在废水净化和空气净化领域中具有极为明显的效果，同时在有机物降解方面具有更为广阔的应用前景。1980前后，降解有害化学物以及对净化环境等方面的研究工作在光触媒领域被科学家们积极探索；在20世纪90年代初，商品市场出现粉末态的光触媒，而此时的粉末型光触媒还没有达到科学家们所预期的环保的效果；同时也是在这个时期，光触媒经过照光的处理后会有超亲水性被ToTo公司发现后，才使得科学家们在光触媒领域内取得了突破性的进展；自1995年起学术界也特别针对[TiO2 Photo-catalytic Purification and Treatment of Water and Air] 课题，每年举办国际性研讨会，将世界各国的发展动态做一整台发表；20世纪90年代末，“水溶液表面薄膜光触媒”由日本的某技术中心研发得到，同时该中心申请取得了这个项目的专利权；20世纪初，光触媒产品已经开始在全世界范围被广泛的认可，在发达国家中业已成为环保的代名词[5-8]。
目前光触媒的应用在世界各国已经朝多元化方向发展，环保领域、生活领域、医疗领域、能源领域对光触媒的应用随处可见[2]。2003年非典的肆虐给人们敲响了警钟，使人们逐步认识到空气质量的重要性。在非典掀起的同时，房地产热又随机产生，装修热不甘其后也是迅猛发展，国人的天性都是对自己的房屋追求精美和豪华，却忽视其中的有害物质，而光触媒能够无消耗的除去有害物质，借这两次事件首次进入了国人的视线。 2004年后，光触媒开始在国内有了很大的发展。直到2011年4月，随着在北京召开对中国环境的各类会议的举行，让国家也已经认识到社会环境对人类生存的重要性，对中国来说，环境的治理问题已成为重中之重[9]。在此之后，日渐严重的空气污染报告已经得到中央领导的高度重视，并督促政府及有关部门关注环境污染和改善空气质量，以此作为介入媒点，光触媒产品得到国人的接受和重视。
1.2 TiO2的晶体结构和其光催化的原理
二氧化钛化学式为TiO2，俗称钛白粉，分子量79.9，熔点1830～1850℃，沸点2500～3000℃，是一种白色无机颜料，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度等特性。二氧化钛在自然界中存在三种结构：分别为四方晶系的金红石、四方晶系的锐钛矿、正交晶系的板钛矿，如图1-1[10]所示。TiO2在性能应用方面不同的主要原因是结构的不同，在大量的研究报道中通常认为，锐钛矿型TiO2的光催化活性优于金红石型[11]。
图1-1 TiO2晶型结构图[10]
Fig.1-1 Crystal Structure of TiO2
通常在解释TiO2 的光催化原理时，采用半导体能带理论做叙述，其原理如图1-2所示。TiO2的能带由一个充满电子的低能价带和空的高能导带组成，价带和导带之间存在一个禁带，其宽度为3.2eV；在波长小于388 nm的光照射下，TiO2被激发产生光生电子一空穴对，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其他形式散发掉[2]。
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