上转换复合薄膜降解硝基苯废水研究(2)
3.4 复合膜的SEM和XRD表征 14
3.5 本章小结 15
4 纯TiO2膜与复合膜光催化性能研究 16
4.1 实验材料与仪器 16
4.2 实验方法与步骤 16
4.2.1硝基苯标准曲线 16
4.2.2 降解实验与数据处理 17
4.3 上转换材料Pr3+:Y2SiO4与TiO2最佳配比研究 18
4.4 催化剂投加量对光降解硝基苯的影响 19
4.5 三种膜光催化性能对比 20
4.6 材料的重复使用降解率研究 21
4.7 本章小结 22
结论 23
致谢 24
参考文献 25
1 绪论
1.1 研究背景
近年来，随着科学研究实验的发展，光催化降解水中的污染物已成为研究热点。尤其是在近年我国商业化工业化全面发展的大环境下，环境污染治理成为时代主题，长江黄河甚至变成“恶毒”之水，城市供水面临巨大挑战。大部分内陆湖富营养化，蓝藻爆发，臭气熏天，水质恶化。江河污染严重，成为“毒水”。全国多地雾霾笼罩，环境问题已严重影响到了人们的生存与发展。环境污染治理刻不容缓，但传统的治理方法已不能满足日益复杂多变的环境难题。因此，寻找一个高效的污染治理方法已成为学者们的研究重点。
1.2 纳米TiO2光催化剂
光催化氧化技术是一种利用光能催化氧化降解有机污染物的新技术。半导体多相光催化比如二氧化钛（TiO2）是水和空气的一种很有前途的氧化净化技术。相对于传统的环境污染处理手段，光催化降解技术具有能以下优点：第一，可以在常温常压下进行操作，减小了操作的难度；第二，不需要消耗光以外的其他物质能量，而地球上的太阳光十分丰富，因此成本相对较低；第三，能够使有机物污染物完降解并且不产生二次污染物，满足环保的要求；第四，光催化剂廉价、无毒、稳定，适合大规模的应用使用；第五，光催化可以降解很多难降解的有机物，故适用性也较为广泛[1]。
TiO2因为其稳定、无毒、耐腐蚀、价格低廉等优点成为理想的光催化氧化材料，但其光利用效率偏低，其带隙能过高，它的能量带只对应于紫外光的波长（λ<387nm）辐射激发下，科研人员主要就提高TiO2光催化效率进行研究实验。目前TiO2光催化降解污染物的研究工作主要处于实验阶段，对纳米TiO2光催化剂的研究主要集中在如下两个方面：一，纳米TiO2光催化氧化剂合成工艺的研究与完善；二，纳米TiO2光催化剂催化性能提高的研究[2]。近年来，纳米TiO2与上转换材料复合已取得了重大进展。
纳米TiO2的光催化氧化降解作用机理如图1.1所示。当在半导体吸收能量大于带隙的价带电子（aphotonΔE）的半导体，电子变得兴奋，跃迁到导带，留下一个带正电的洞价带。除了与电子复合，其带正电的空穴可以是水分子氧化形成的高活性的羟基自由基（•OH）。由此产羟基自由基作为主要的氧化物质攻击污染物分子或微生物细胞，从而净化水。激发态的电子可以与溶解的氧分子反应形成的氧自由基，它也是活跃性的易氧化机污染物的物质。
图1.1 纳米TiO2光催化氧化降解机理
已经有很多的研究工作，为了找到更为有效的光催化剂以及更有效的反应器设计。一个关于光催化进化水的很大可能的是利用太阳光作为光源。然而，TiO2的能量带只对应于紫外光的波长，这只是太阳光的一小部分。因此，半导体较小的带隙，如ZnS，CdS和石墨烯它的衍生物以及另外的掺杂剂，已开始分析利用较长波长的光或增强光催化性能。另一种方法来提高光催化效率的方法是抑制重组电子空穴对，复合材料也被开始研究，将不同材料的优点整合一体化，如TiO2−二氧化硅，氧化铜/沸石，和还原氧化石墨烯。由于光催化过程主要发生在接近催化剂的表面，催化剂的形态是其性能的关键。许多研究都有提出了合成高比表面积催化剂。大多数光催化剂是尺寸非常小的高比表面积的。
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