负载型二氧化钛光催化剂对食品工业废水的降解性能研究开题报告

 2022-08-03 11:10:11

1. 研究目的与意义

近些年，随着现代化工的发展，越来越多的新型水环境污染物(重金属离子、各类顽固有机污染物)引起关注，严重威胁着人们的健康[10]。这些污染物大多在常规污水处理工艺中难以有效去除，研发高效、环境友好的新型水处理技术，尤其是降解技术迫在眉睫。利用纳米材料的优异性能将其制备成光催化剂对水污染物进行治理是近年来的关注热点，但同时由于特定纳米材料存在自身的一些性能局限，人们希望能够寻找合适的掺杂物提升改善材料的性能以提高水污染物处理能力。

TiO2具有氧化能力强、降解完全和可以重复使用等优点，在污水处理[11-12]、光电转换[13]、清洁材料的制备[14]等方面备受关注。但TiO2的带隙较宽(约3.2eV)，只能在波长小于378 nm的紫外区显示光化学活性，对太阳能的利用率小于10%，同时其光生电子和空穴容易发生复合，从而降低光催化效率低。因此，如何提高TiO2光催化活性是研究其光催化技术实用的关键。由于光激发TiO2产生的电子空穴对极易复合，所以可以利用石墨烯独特的电子传输特性降低光生载流子的复合,从而提高TiO2光催化效率。

石墨烯是唯一存在二维自由态的原子晶体[15-19]，它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯具有极大的比表面积和较低的生产成本等优异的性能，非常适合于开发高性能的复合材料。氧化石墨还原法被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。Yoo等[20-21]研究了石墨烯及其与CNTs、C60和SnO2复合材料应用于锂离子二次电池负极材料中的性能，表明石墨烯的加入可大大提高锂离子电池负极材料的比容量和循环稳定性。Kong等[22]通过真空抽滤石墨烯悬浮液，将石墨烯薄片附着在石英基片上，然后将基片浸入HAuCl4水溶液中，合成了Au/GE复合物，通过循环操作得到了石墨烯和Au纳米粒子交替逐层叠加的复合物，该方法无需还原剂即可还原Au3 ，负电性的石墨烯起到了还原剂的作用。Luechinger等[23]不使用表面活性剂，直接以石墨烯作为分散剂包裹在Co表面，然后与聚合物(PMMAPEO)复合，得到了GE/Co/聚合物复合材料。该材料同时具备金属与聚合物的优异性能，为石墨烯的应用提供了新的途径。

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2. 研究内容和预期目标

  1. 石墨烯的制备方法及石墨烯-二氧化钛催化剂的复合方法；

  2. 光催化剂的催化效果评价；

  3. 光催化剂的表征。

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    3. 国内外研究现状

    2004年曼切斯特大学物理学教授Andre Geim和Konstantin Novoselov首次利用机械力从石墨晶体表面剥离出石墨烯片层结构，并对单片层石墨烯进行了表征分析[1]。

    Kamat等[2]将氧化石墨粉末加入TiO2胶体分散液中超声，得到氧化石墨烯包裹TiO2纳米粒子的悬浮液，在氮气的保护下用紫外光照射悬浮液，得到TiO2/GE复合材料。该课题组[3]首次合成了以石墨烯为载体的多组分催化体系，他们首先通过光激发将电子从TiO2转至氧化石墨烯片上，部分电子用于氧化石墨烯的还原，其余的电子储存在还原后的石墨烯片上；然后向石墨烯悬浮液引入AgNO3，储存在石墨烯片上的电子将Ag＋还原成Ag，从而合成了TiO2和Ag处于分离位置的二维TiO2/Ag/GE三元体系。

    Wang等[4]报道了通过阴离子表面活性剂提高石墨烯片的稳定性，并促进金属氧化物在石墨烯片上自组装生长的方法。由于石墨烯的憎水性和金属氧化物的亲水性，可通过表面活性剂解决两者的不相容问题，同时，表面活性剂也为无机纳米粒子的成核和生长控制提供了分子模板。该小组以十二烷基硫酸钠(SDS)为表面活性，通过混合不同比例的改性的石墨烯片和TiCl4，分别合成了金红石型和锐钛矿型TiO2与石墨烯的复合物。所得复合材料在锂离子电池中显示出良好的充放电能力。

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    4. 计划与进度安排

    2022.12.23 - 2022.12.30 查阅相关文献、资料， 撰写毕业论文开题报告；

    2022.02.22 - 2022.03.01 拟定试验方案；

    2022.03.02 - 2022.03.05 准备实验材料、仪器等；

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    5. 参考文献

    1. Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al． Electric field effect in atomically thin carbon films [J]．Science, 2004, 306(5696): 666-669

    2. Williams G, Seger B, Kamat P V. A CS Nano, 2008,2(7);:1487-.1491

    3. Ljghtcap I V,Kosel T H, Kamat P V. Nano Lett, 2010,10(2):577-583

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